Universidade Federal de Itajubá
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
REGULAÇÃO DE TENSÃO EM SUBESTAÇÕES DE
DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
LUIS ANTONIO FELBER
Itajubá, Julho de 2010
Universidade Federal de Itajubá
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
LUIS ANTONIO FELBER
REGULAÇÃO DE TENSÃO EM SUBESTAÇÕES DE
DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
Dissertação submetida ao Programa de PósGraduação em Engenharia Elétrica como parte dos
requisitos para obtenção do Título de Mestre em
Ciências em Engenharia Elétrica.
Área de concentração: Sistemas Elétricos de Potência
Orientador: Prof. Dr. Hector Arango.
Julho de 2010
Itajubá - MG
ii
AGRADECIMENTOS
Ao Professor Hector Arango, pelo apoio, paciência, experiência e sabedoria,
na condução deste trabalho.
À CAPES e aos amigos e professores do GQEE, por acreditarem e
apoiarem o meu trabalho.
Aos demais professores e funcionários da Unifei, além dos funcionários da
PRPPG pela dedicação e simpatia.
Meus agradecimentos à minha família e meus amigos.
Aos meus amigos da CEMIG pelo grande empenho e dedicação em me
ajudar de todas as maneiras possíveis.
Um agradecimento especial a minha noiva e futura esposa Swlyne pelo
apoio, dedicação e paciência.
iii
RESUMO
O objetivo deste trabalho de dissertação é comparar as diversas
metodologias de controle automático de tensão (CAT) em subestações de
distribuição de energia elétrica, usadas pela CEMIG e por outras concessionárias de
distribuição de energia elétrica, através do estudo do comportamento da tensão em
regime permanente e das metodologias de regulação de tensão usadas.
Esse trabalho foi baseado em um estudo de caso real, onde foram
implementadas 3 técnicas de regulação de tensão em uma subestação de
distribuição de energia elétrica (LDC, tensão constante e reta de carga) e foram
feitas medições em vários pontos de uma linha de distribuição pertencente a essa
subestação.
Foi feito um estudo comparativo entre as metodologias utilizadas, levando-se
em consideração as normas vigentes atuais (Módulo 8 – PRODIST), sendo
avaliadas as vantagens e desvantagens de cada metodologia utilizada.
iv
ABSTRACT
The objective of this dissertation work is to compare the different
methodologies of automatic voltage control (CAT) in distribution substations of
electric power, used by CEMIG and other utilities of electric energy distribution, by
studying the behavior of voltage in steady state and the methodologies used for
voltage regulation.
This work was based on a real case study, where three techniques were
implemented to regulate voltage in a substation of electric energy distribution (LDC,
constant voltage and load line) and measurements were made at various points of a
distribution line belonging to this substation.
A comparative study was done among the methodologies used, taking into
consideration the actual standards (Module 8 - PRODIST) and evaluated the
advantages and disadvantages of each methodology.
v
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
ANEEL
AVR
CAT
CEMIG
CEPEL
DRC
DRP
ELEKTRO
ELETROPAULO
ESCELSA
LDC
LD
OLTC
PRODIST
QEE
SAG
SD
SDAT
SDBT
SDEE
SDMT
SE
SED
TL
TR
TP
TC
UTR
Vref
Vmax
Vmin
VTCD
Agencia Nacional de Energia Elétrica
Automatic Voltage Relay (Relé de Controle Automático de
Tensão)
Controle Automático de Tensão
Companhia Energética de Minas Gerais S.A.
Centro de Pesquisas de Energia Elétrica S.A.
Duração Relativa de Transgressão de Tensão Crítica
Duração Relativa de Transgressão de Tensão Precária
Elektro - Eletricidade e Serviços S.A.
Eletropaulo Metropolitana Eletricidade de São Paulo S.A.
Espírito Santo Centrais Elétricas S.A.
Line Drop Compensation (Compensação de Queda na
Linha)
Linha de Distribuição
On Load Tap Changer (Transformadores Reguladores com
Comutação Sob Carga)
Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no
Sistema Elétrico Nacional
Qualidade da Energia Elétrica
Afundamento Momentâneo de Tensão
Subestações de Distribuição
Sistema de Distribuição de Alta Tensão (69 kV até 230 kV)
Sistema de Distribuição de Baixa Tensão (< 1 kV)
Sistema de Distribuição de Energia Elétrica
Sistema de Distribuição de Média Tensão (1 kV até < 69 kV)
Subestação de Energia Elétrica
Sistema Elétrico de Distribuição
Tensão de Leitura
Tensão de Referência
Transformador de Potencial
Transformador de Corrente
Unidade Terminal Remota
Tensão de Referência
Tensão de Referência mais Banda Morta Superior
Tensão de Referência mais Banda Morta Inferior
Variação de Tensão de Curta Duração
vi
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - Resumos dos distúrbios relacionados à energia elétrica
13
Figura 2.2 - Topologia padrão de uma rede de distribuição de média tensão
19
Figura 3.1 - Topologia padrão de um sistema elétrico da distribuição
27
Figura 4.1 - Circuito equivalente de uma linha de distribuição (LD)
41
Figura 4.2 - Circuito simplificado de uma linha de distribuição
42
Figura 4.3 - Diagrama de um circuito de uma LD
47
Figura 4.4 - Diagrama de um circuito de uma LD com capacitor C1
47
Figura 4.5 - Localização de bancos de capacitores: (a) Localização física, (b) Perfil
de tensão com carregamento pesado e (c) Perfil de tensão com
carregamento leve.
48
Figura 5.1 - Esquemático do regulador Autoboost configurado como elevador
de tensão
52
Figura 5.2 - Esquemático do regulador Autoboost configurado como abaixador
de tensão
53
Figura 5.3 - Esquema simplificado da regulação de tensão
54
Figura 5.4 - Funcionamento do regulador de tensão como elevador
54
Figura 5.5 - Funcionamento do regulador de tensão como abaixador
55
Figura 5.6 - Funcionamento do regulador de tensão com “tapes”
55
Figura 5.7 - Funcionamento do regulador de tensão usando reator
55
Figura 5.8 - Reator com a função de divisor de tensão
56
Figura 5.9 - Reator com a função de não interrupção do circuito
56
Figura 5.10 - Bobina de equalização para limitação da corrente circulante
57
Figura 5.11 - Corrente circulante na bobina de equalização
57
Figura 5.12 - Funcionamento do relé regulador de tensão (relé 90)
58
Figura 5.13 - Esquemático da Reta de Carga
65
Figura 5.14 - Diagrama esquemático do LDC
68
Figura 5.15 - Diagrama fasorial do LDC
68
Figura 5.16 - Circuito com carga no final da LD
70
Figura 5.17 - Resumo das tensões para carga no final da LD
73
Figura 5.18 - Circuito com cargas uniformemente distribuídas na LD
74
vii
Figura 5.19 - Resumo das tensões para cargas uniformemente distribuídas
na LD
77
Figura 6.1 - Configuração do Trafo T5 da SE Pouso Alegre 1
83
Figura 6.2 - Esquemático do alimentador PSAU13F4
83
Figura 6.3 - Carregamento do alimentador PSAU13F4
85
Figura 6.4 - Comprimento máximo do PSAU13F4
85
Figura 6.5 - Comprimento do trecho urbano do PSAU13F4
86
Figura 6.6 - Comprimento do trecho rural do PSAU13F4
86
Figura 6.7 - Ajuste LDC para Carga zerada
92
Figura 6.8 - Ajuste LDC para Carga leve
93
Figura 6.9 - Ajuste LDC para Carga Média
93
Figura 6.10 - Ajuste LDC para Carga Pesada
94
Figura 6.11 - Curva de carga do circuito do PSAU13F4
95
Figura 6.12 - Tensão Cte - 31/03 - 4ª Feira - Imax=789A - 18:30 h
98
Figura 6.13 - Tensão Cte - Tensão x Correntes – 44928 31/03 - 4ª Feira
99
Figura 6.14 - Tensão Cte - 04/04 - Domingo - Imax=706A - 18:30 h
99
Figura 6.15 - Tensão Cte - Tensão x Correntes - 44928 04/04 - Domingo
100
Figura 6.16 - Reta de Carga - 19/04 - 2ª Feira - Imax=823A - 18:30 h
102
Figura 6.17 - Reta de Carga - Tensão x Correntes - 44928 - 19/04 - 2ª Feira
103
Figura 6.18 - Reta de Carga - 18/04 - Domingo - Imax=672A - 18:30 h
104
Figura 6.19 - Reta de Carga - Tensão x Correntes - 44928 - 18/04 - Domingo
105
Figura 6.20 - LDC - 23/04 - 6ª Feira - Imax=842A - 18:30 h
107
Figura 6.21 - LDC - Tensão x Correntes - R47297 - R44928-23/04 - 6ª Feira
108
Figura 6.22 - LDC - 25/04 - Domingo - Imax=741A - 18:20 h
109
Figura 6.23 - LDC - Tensão x Corrente - R44928 - 25/04 - Domingo
110
viii
LISTA DE TABELAS
Tabela 1.1 - Pontos de conexão em Tensão Nominal superior a 1 kV e inferior a
69 kV
04
Tabela 1.2 - Pontos de conexão em Tensão Nominal igual ou inferior a 1 kV
(220/127 V)
04
Tabela 1.3 - Pontos de conexão em Tensão Nominal igual ou inferior a 1 kV
(380/220 V)
04
Tabela 5.1 - Resistências e Reatâncias em Ω/km a 25º C
70
Tabela 6.1 - Ajustes da relé 90 para Reta de Carga
89
Tabela 6.2 - Ajuste do relé 90 para LDC
95
Tabela 6.3 - Total de DRPp e DRCp durante as medições
96
Tabela 6.4 - Números de comutações do Trafo T5
96
ix
SUMÁRIO
I - INTRODUÇÃO
01
1.1 - RELEVÂNCIA DO TEMA
01
1.2 - OBJETIVO
05
1.3 - ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
06
II - ANÁLISE BIBLIOGRÁFICA
2.1 - ASSUNTOS REGULATÓRIOS
08
08
2.2 - ASSUNTOS RELACIONADOS À QUALIDADE DA ENERGIA
ELÉTRICA
12
2.3 - ASSUNTOS RELACIONADOS AO PLANEJAMENTO DE UM SISTEMA
ELÉTRICO DE DISTRIBUIÇÃO.
15
2.4 - CORREÇÃO DO NÍVEL DE TENSÃO EM UM SISTEMA ELÉTRICO DE
DISTRIBUIÇÃO
18
2.5 - PERDAS EM UM SISTEMA ELÉTRICO DE DISTRIBUIÇÃO
21
2.6 - ASSUNTOS RELACIONADOS À REGULAÇÃO DE TENSÃO
22
III - PLANEJAMENTO DO SISTEMA ELÉTRICO DA DISTRIBUICÃO
25
3.1 - INTRODUÇÃO
25
3.2 - CARACTERIZAÇÃO DO SISTEMA ELÉTRICO DE DISTRIBUIÇÃO
27
3.2.1 - Sistema de Distribuição de Alta Tensão (SDAT)
28
3.2.2 - Sistema de Distribuição de Media Tensão (SDMT) e das Subestações
de Distribuição (SD)
3.2.3 - Sistema de Distribuição de Baixa Tensão (SDBT)
3.3 - PLANEJAMENTO DO SISTEMA ELÉTRICO DE DISTRIBUIÇÃO (SED)
3.3.1 - Níveis de Planejamento
28
28
29
29
3.3.1.1 - Planejamento Estratégico
29
3.3.1.2 - Planejamento Tático
29
3.3.2 - Metas de Qualidade
29
3.3.2.1 - Qualidade do Produto
30
3.3.2.2 - Qualidade do Serviço
31
x
3.3.2.2.1 - Indicadores de continuidade
31
3.3.2.2.2 - Indicadores de Tempo de Atendimento a Ocorrências
Emergenciais
32
3.4 - PREVISÃO DE DEMANDA (CARGA)
33
3.5 - ANÁLISE DO SISTEMA ELÉTRICO DE DISTRIBUIÇÃO EXISTENTE
34
3.5.1 - Sistema de Distribuição de Alta Tensão (SDAT)
34
3.5.2 - Sistema de Distribuição de Média Tensão (SDMT) e das Subestações
de Distribuição (SED)
3.5.3 - Sistema de Distribuição de Baixa Tensão (SDMT)
3.6 - PLANO DE OBRAS
34
35
35
3.6.1 - Estudos do Sistema Elétrico
35
3.6.2 - Análise Técnico-econômica
36
3.6.2.1 - Análise Técnica
37
3.6.2.2 - Análise Econômica
37
3.7 - PERDAS EM UM SISTEMA ELÉTRICO DA DISTRIBUIÇÃO
38
IV - QUEDA DE TENSÃO NO SISTEMA ELÉTRICO DE DISTRIBUIÇÃO E
MÉTODOS DE CORREÇÃO DE TENSÃO
40
4.1 - INTRODUÇÃO
40
4.2 - QUEDA DE TENSÃO EM UMA LINHA DE DISTRIBUIÇÃO
41
4.3 - CORREÇÃO DE TENSÃO EM UMA LINHA DE DISTRIBUIÇÃO
43
4.3.1 - Ações para Melhorias de Tensão no SDBT
43
4.3.2 - Ações para Melhorias de Tensão no SDMT
44
4.4 - CORREÇÃO DE TENSÃO USANDO CAPACITOR SHUNT
46
4.5 - CORREÇÃO DE TENSÃO USANDO CAPACITOR SÉRIE
49
V - REGULAÇÃO DE TENSÃO NAS SUBESTAÇÕES DO SISTEMA ELÉTRICO
DE DISTRIBUIÇÃO
51
5.1 - INTRODUÇÃO
51
5.2 - REGULADORES DE TENSÃO
52
5.2.1 - Regulador de Tensão Autobooster
52
5.2.2 - Regulador de Tensão de 32 Degraus
53
5.2.2.1 - Funcionamento do Regulador de Tensão de 32 Degraus
54
xi
5.3 - RELÉ DE CONTROLE DE TENSÃO
5.3.1 - Componentes de um Relé de Controle de Tensão
57
58
5.3.1.1 - Tensão de Referência (Vref)
58
5.3.1.2 - Banda Morta (bandwidth)
59
5.3.1.3 - Tempo Morto (temporização)
60
5.3.1.4 - Compensação de Queda de Linha (LDC)
60
5.3.1.5 - Bloqueios
61
5.3.1.6 - Funções Adicionais
61
5.4 - METODOLOGIAS DE CONTROLE AUTOMÁTICO DE TENSÃO
5.4.1 - Grupos de Regulação de Tensão
62
63
5.4.1.1 - Regulação Dinâmica
63
5.4.1.2 - Regulação Estática
63
5.4.1.3 - Regulação por Faixas
63
5.4.1.4 - Regulação por sistemas inteligentes
63
5.4.2 - Técnicas de Regulação de Tensão
64
5.4.2.1 - CAT com Tempo Definido
64
5.4.2.2 - CAT com Reta de Carga
64
5.4.2.3 - CAT com Tensão Definida
66
5.4.2.4 - CAT com LDC
66
5.5 - FUNCIONAMENTO DA COMPENSAÇÃO DE QUEDA DE LINHA (LDC)
5.5.1 - LDC para Cargas no Final da Linha
5.5.1.1 - Exemplo de Cálculo de LDC para Cargas no Final da Linha
5.5.2 - LDC para Cargas Uniformemente Distribuídas
67
69
70
74
5.5.2.1 - Exemplo de Cálculo de LDC para Cargas Uniformemente
Distribuídas
5.5.3 - LDC para Cargas não Uniformemente Distribuídas
74
78
5.5.3.1 - Alimentador com Derivações
78
5.5.3.2 - Z equivalente
79
5.5.4 - Limites de compensação para a LDC
VI - ESTUDO DE CASO
80
82
6.1 - INTRODUÇÃO
82
6.2 - CARACTERÍSTICAS DO CIRCUITO
83
xii
6.3 - CÁLCULOS DOS AJUSTES DO RELÉ DE CONTROLE DE TENSÃO
87
6.3.1 - 1º Ciclo - Tensão Constante
87
6.3.2 - 1º Ciclo - Reta de Carga
88
6.3.3 - 3º Ciclo - LDC
89
6.4 - ANÁLISE DOS RESULTADOS
6.4.1 - 1º Ciclo - Tensão Constante
95
97
6.4.1.1 - Maior Carga - dia 31/03/2010 - 4ª Feira
98
6.4.1.2 - Menor carga - dia 04/04/2010 - Domingo
99
6.4.1.3 - Conclusões Sobre a Regulação de Tensão Usando Tensão
Constante
6.4.2 - 2º Ciclo - Reta de Carga
101
101
6.4.2.1 - Maior Carga - dia 19/04/2010 - 2ª Feira
102
6.4.2.2 - Menor carga - dia 18/04/2010 - Domingo
104
6.4.2.3 - Conclusões Sobre a Regulação de Tensão Usando Reta de
Carga
6.4.3 - 3º Ciclo - LDC
105
106
6.4.3.1 - Maior Carga - dia 23/04/2010 - 6ª Feira
107
6.4.3.2 - Menor carga – dia 25/04/2010 - Domingo
109
6.4.3.3 - Conclusões Sobre a Regulação de Tensão Usando LDC
110
VII - CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
113
7.1- CONCLUSÕES
113
7.2 - SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
117
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
118
xiii
Capítulo I - Introdução
CAPÍTULO I
INTRODUÇÃO
1.1 - RELEVÂNCIA DO TEMA
A melhoria na qualidade de fornecimento de energia elétrica é um processo
que vem se aperfeiçoando com o transcorrer do tempo, não somente por parte das
empresas concessionárias de energia, como também pelos consumidores.
A partir da década de 70, devido à época do milagre econômico, houve um
aumento significativo do consumo de energia elétrica, e devido a isso, começou a se
ter a preocupação não somente com o fornecimento de energia elétrica, mas
também com a qualidade dessa energia.
Então, em 1978 o DNAEE (Departamento Nacional de Águas e Energia
Elétrica) editou portaria de nº. 047/78 que regula os níveis de tensão de
fornecimento (limites das variações das tensões) de energia elétrica.
Em 1996, através da Lei 9.427 foi criada a Agência Nacional de Energia
Elétrica (ANEEL), com o objetivo de regular e fiscalizar a produção, transmissão,
distribuição e comercialização de energia elétrica. Consolidava-se então, o sistema
regulatório brasileiro para o setor de energia. Assim, no âmbito de suas atribuições
foram elaboradas, após várias consultas públicas, as resoluções relativas à
qualidade de energia elétrica, sendo elas relativas a:
•
Qualidade do serviço (Resolução ANEEL Nº 024, de 27 de Janeiro de
2000 e Resolução ANEEL Nº 520, de 17 de Setembro de 2002), que
estabelece as disposições relativas à continuidade do fornecimento de
1
Capítulo I - Introdução
energia elétrica, e a duração e frequência das interrupções a serem
observadas pelas concessionárias de energia elétrica;
•
Qualidade do produto (Resolução Nº 505, de 26 de Novembro de 2001),
que estabelece as disposições relativas à conformidade dos níveis de
tensão de energia elétrica em regime permanente.
Em 15 de Dezembro de 2009, essas resoluções (Resolução nº 024, de
27 de Janeiro de 2000, Resolução nº 505, de 26 de Novembro de 2001, e Resolução
nº 520, de 17 de Setembro de 2002) foram revogadas através da Resolução Nº 395,
que criou os Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico
Nacional – PRODIST, sendo os requisitos de qualidade do produto e do serviço
agrupados no Módulo 8 – Qualidade da Energia Elétrica.
Níveis de tensão adequados propiciam um desempenho satisfatório e uma
vida mais longa aos aparelhos elétricos dos consumidores, sendo um dos pontos
básicos da qualidade da energia elétrica fornecida pelas concessionárias de energia
elétrica.
Todos os equipamentos elétricos ligados a um sistema de energia elétrica
são projetados para trabalhar em uma determinada tensão nominal. Seu
desempenho e vida útil serão alterados quanto maior for a diferença entre a tensão
fornecida pela concessionária e a sua tensão nominal. Logicamente,
para a
concessionária, quanto maior possível for a variação de tensão, menores serão os
gastos para o fornecimento dessa energia. Para os construtores desses
equipamentos e os consumidores, a situação é inversa, pois será mais barato o
custo para a fabricação desses equipamentos e consequentemente serão menores
os custos para os consumidores, quanto menor possível for à variação de tensão.
Devido às diferentes topologias de redes, (exceto em subestações que
possuem carga muito adensada, como por exemplo, em grandes centros urbanos), a
regulação dessa tensão não é feita considerando que as cargas estejam muito
próximas da subestação, devendo então ser considerada a queda de tensão entre o
regulador de tensão e a carga. Como em um sistema de distribuição de energia
elétrica, normalmente as cargas são distribuídas ao longo da rede de distribuição,
torna-se difícil encontrar o local ideal (doravante chamado de centro de carga), onde
esta tensão de alimentação seja adequada.
2
Capítulo I - Introdução
A localização desse centro de carga é o grande dificultador do processo de
regulação, pois a mesma tensão “ideal” para um consumidor que esteja localizado
próxima da subestação de distribuição poderá ser inadequada para um consumidor
localizado distante dessa subestação.
Outro dificultador é quando existem redes de distribuição que alimentam
centros urbanos (bairros, vilarejos, cidades) distantes da subestação, sendo que
para esse caso, poderá ser necessário a instalação de outros reguladores de tensão
para esses circuitos específicos, ou a instalação de bancos de capacitores,
lembrando que a tensão na subestação em questão, normalmente irá alimentar
vários circuitos, e a tensão de saída deverá atender a todos os circuitos interligados
a essa subestação.
Devido a essas dificuldades, a Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL estabeleceu através da Resolução Nº 505, e posteriormente pelo Módulo 8
(Qualidade da Energia Elétrica) do PRODIST, os limites adequados, precários e
críticos para os níveis de tensão em regime permanente, os indicadores individuais e
coletivos de conformidade de tensão elétrica, os critérios de medição e registro, os
prazos para regularização e de compensação ao consumidor, caso os limites de
tensão observados não se encontrem na faixa de atendimento adequado:
“São estabelecidos os limites adequados, precários e críticos para os níveis
de tensão em regime permanente, os indicadores individuais e coletivos de
conformidade de tensão elétrica, os critérios de medição e registro, os prazos
para regularização e de compensação ao consumidor, caso as medições de
tensão excedam os limites dos indicadores.”
A Tabela 1.1 apresenta os valores limite relativos à tensão de fornecimento
entre 1 kV e 69 kV, onde:
•
TL
Tensão de Leitura;
•
TR
Tensão de Referencia
3
Capítulo I - Introdução
Tabela 1.1 – Pontos de conexão em Tensão Nominal superior a 1 kV e inferior a 69 kV.
Adequada
0,93TR≤TL≤ 1,05TR
Precária
0,90TR≤TL<0,93TR
Crítica
TL<0,90TR ou TL>1,05TR
Os valores limite mais comumente usados pelas concessionárias de energia
elétrica (127/220 V), são apresentados na Tabela 1.2:
Tabela 1.2 – Pontos de conexão em Tensão Nominal igual ou inferior a 1 kV (220/127 V).
Adequada
(201≤TL≤ 231)/(116 ≤TL≤ 133)
(189 ≤ TL<201 ou 231<TL ≤ 233)/(109 ≤TL<116 ou
Precária
133<TL ≤ 140)
Crítica
(TL<189 ou TL>233)/(TL<109 ou TL>140)
Os valores limite de (220/380 V), são apresentados na Tabela 1.3:
Tabela 1.3 – Pontos de conexão em Tensão Nominal igual ou inferior a 1 kV (380/220 V).
Adequada
(348≤TL≤ 396)/(201 ≤TL≤ 231)
(327 ≤ TL<348 ou 396<TL ≤ 403)/(189 ≤TL<201 ou
Precária
231<TL ≤ 233)
Crítica
(TL<327 ou TL>403)/(TL<189 ou TL>233)
A concessionária deverá apurar, quando de medições oriundas por
reclamação e/ou amostrais, os seguintes indicadores individuais:
I - Duração Relativa da Transgressão de Tensão Precária (DRP);
II - Duração Relativa da Transgressão de Tensão Crítica (DRC).
Caso ocorram transgressões dos valores mostrados nas Tabelas 1.1, 1.2 e
1.3, será calculada uma compensação a quem tiver sido submetido ao serviço, de
acordo com o nível de tensão, conforme regras definidas no PRODIST – Módulo 8.
4
Capítulo I - Introdução
1.2 - OBJETIVO
O objetivo desse trabalho de dissertação é comparar as diversas
metodologias de controle automático de tensão (CAT) em subestações de
distribuição
de
energia
elétrica,
avaliando
suas
aplicações,
vantagens
e
desvantagens.
A regulação de tensão é feita normalmente através de reguladores de
tensão instalados na subestação de energia elétrica ou ao longo dos alimentadores,
e o controle de tensão desses reguladores é feita através dos relés de controle
automático de tensão – CAT.
Convém salientar que não serão abordadas diretamente as metodologias
usadas em reguladores de tensão instalados ao longo de um alimentador (linha de
distribuição – LD). Porém essas mesmas metodologias são usadas, na maioria das
vezes, nesses reguladores de tensão.
A metodologia mais usada é a de LDC (Line Drop Compensation), que é a
compensação de queda de linha. Nesse caso, a tensão é regulada através de um
compensador de queda na linha, que utiliza parâmetros de resistência e reatância da
linha. Este é um componente que simula a impedância da linha desde os
reguladores de tensão, até o ponto onde se deseja que a tensão seja constante
(doravante denominado centro de carga). O circuito básico do compensador simula
as quedas de tensão existentes na linha, fazendo com que o regulador as
compense.
Apesar da metodologia de LDC ser a mais usada, existem várias outras
metodologias, que também são empregadas, devido a dificuldades na configuração
do LDC, características da rede, melhorias na regulação, etc..
As metodologias mais comumente encontradas são:
a) Regulação dinâmica:
Os valores da tensão de referência - Vref são variáveis, de acordo com
parâmetros da rede (corrente, potência, fator de potência, etc), ou seja, não
existem valores da tensão de referência - Vref pré-definidos. Nesse caso, a
tensão na subestação varia para que a tensão no consumidor seja a mais
estável possível.
5
Capítulo I - Introdução
Ex. CAT com reta de carga e com LDC.
b) Regulação estática:
Os valores de Vmax e Vmin não se alteram independentemente da variação
de outros parâmetros (corrente, potência, faixas de carga, horários, etc).
Ex. CAT com Tensão Definida.
c) Regulação por faixas:
Os valores de Vmax e Vmin são estáticos para cada grupo de ajustes prédefinidos por horários ou por faixas de carga.
Ex. CAT por tempo definido.
d) Regulação por sistemas inteligentes:
Existem atualmente alguns estudos propondo a metodologia de regulação de
tensão usando sistemas inteligentes, principalmente através de lógica
nebulosa (Fuzzy Set).
1.3 - ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
No capítulo 1, será feita uma breve introdução, sobre o processo de
regulação de tensão no sistema de distribuição de energia elétrica.
No capítulo 2 apresenta-se a análise bibliográfica relacionada à regulação do
setor, planejamento e perdas no sistema elétrico de distribuição e metodologias de
regulação de tensão em subestações de energia - SE.
No capítulo 3 mostram-se os processos de planejamento do sistema de
distribuição de energia elétrica, relatando as técnicas e metodologias utilizadas.
No capítulo 4 são apresentados os processos relativos à queda de tensão e
regulação de tensão através da instalação de banco de capacitores no sistema
elétrico de distribuição de energia elétrica.
No capítulo 5 descrevem-se as metodologias de regulação de tensão mais
comumente usadas nas subestações do sistema elétrico de distribuição de energia
elétrica.
6
Capítulo I - Introdução
No capítulo 6 é feito um estudo comparativo, com um estudo de caso real,
utilizando várias metodologias de regulação de tensão.
No capítulo 7 são feitas as conclusões e considerações finais a respeito
deste trabalho.
7
Capítulo II – Análise Bibliográfica
CAPÍTULO II
ANÁLISE BIBLIOGRÁFICA
2.1 - ASSUNTOS REGULATÓRIOS
A partir da década de 70, a preocupação básica de somente ter energia
elétrica começou a mudar. Tanto o governo quanto os consumidores começaram a
se preocupar com os índices de qualidade no fornecimento de energia elétrica.
Assim, em abril de 1978, o Departamento Nacional de Águas e Energia
Elétrica (DNAEE) editou a portaria de nº. 047/78, que aborda os níveis de tensão de
fornecimento e os limites das variações das tensões em geral, regulamentando
deste modo as condições técnicas e a qualidade do serviço de energia elétrica.
Em 26 de dezembro de 1996, através da Lei 9.427 foi instituída a Agência
Nacional de Energia Elétrica – ANEEL, que dentre outras tem a finalidade de regular
e fiscalizar a produção, transmissão, distribuição e comercialização de energia
elétrica.
Consolidava-se então, o sistema regulatório brasileiro para o setor de energia.
Assim, no âmbito de suas atribuições foram elaboradas, após várias consultas
públicas, resoluções relativas à qualidade de energia elétrica, sendo elas relativas à
qualidade do serviço e qualidade do produto.
Em 27 de Janeiro de 2000, foi publicada a Resolução ANEEL Nº 024, [01] que
estabelece as disposições relativas à continuidade do fornecimento de energia
elétrica (qualidade do serviço), que diz respeito à duração e frequência de
interrupções, a serem observadas pelas concessionárias de energia elétrica.
Em 26 de Novembro de 2001 foi publicada a Resolução Nº 505 [02],
estabelecendo as disposições relativas à conformidade dos níveis de tensão de
8
Capítulo II – Análise Bibliográfica
energia elétrica em regime permanente (qualidade do produto), na qual são
estabelecidos os limites adequados, precários e críticos para os níveis de tensão em
regime permanente, os indicadores individuais e coletivos de conformidade de
tensão elétrica, os critérios de medição e registro, os prazos para regularização e
compensação ao consumidor, caso as medições de tensão excedam os limites dos
indicadores.
Em 17 de setembro de 2002, foi publicada a Resolução Nº 520 [03], que
estabelece os procedimentos de registro e apuração dos indicadores relativos às
ocorrências emergenciais (qualidade do serviço).
Porém, com o processo de busca por meio da ANEEL de melhoria e
regulamentação dos sistemas de distribuição, no início de 1999, com a contratação
do CEPEL, que elaborou a partir do relatório H do Projeto RESEB, a versão inicial
do documento, e após um longo trabalho e inúmeras interações com agentes do
setor elétrico e a sociedade em geral, em 31/12/2008 entra em vigor a primeira
versão aprovada dos Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema
Elétrico Nacional - PRODIST, através da Resolução Normativa nº 345, de 16 de
dezembro de 2008 e através da Resolução Normativa Nº 395 - revisão 1, de 15 de
Dezembro de 2009 [04].
Os Procedimentos de Distribuição – PRODIST foram implementados a partir
de 01/01/2010, e são normas que disciplinam o relacionamento entre as
distribuidoras de energia elétrica e demais agentes (unidades consumidoras e
centrais geradores) conectados aos sistemas de distribuição, que incluem redes e
linhas em tensão inferior a 230 kV. Têm o objetivo de estabelecer, com base legal e
contratual, as responsabilidades de cada agente no que se referem às atividades,
insumos, produtos e prazos dos processos de operação, planejamento, uso,
medição e qualidade da energia nos sistemas elétricos das concessionárias de
serviço público de distribuição.
O PRODIST é dividido em 8 Módulos, que inclui: introdução, planejamento da
expansão, acesso ao sistema de distribuição, procedimentos operativos, sistemas
de medição, informações requeridas e obrigações, cálculo de perdas na distribuição
e qualidade da energia elétrica.
O Módulo 2 – Planejamento da Expansão do Sistema de Distribuição [05], se
refere às diretrizes para o planejamento da expansão do sistema de distribuição.
9
Capítulo II – Análise Bibliográfica
O Módulo 8 - Qualidade da Energia Elétrica [06] aborda os procedimentos
relativos à qualidade da energia elétrica, levando em consideração a qualidade do
produto e a qualidade do serviço.
Convêm salientar que a Resolução Normativa Nº 395, diz no seu Art. 24.
“Ficam revogadas a Resolução Normativa nº 024, de 27 de janeiro de 2000, a
Resolução nº 505, de 26 de novembro de 2001, a Resolução nº 520, de 17 de
setembro de 2002, e a Resolução Normativa nº 345, de 16 de dezembro de 2008.”,
ou seja, revoga todas as resoluções listadas anteriormente e que eram relativas à
qualidade da energia elétrica, porém as incluem quase que totalmente no escopo do
PRODIST - Módulo 8, sendo que além da tensão em regime permanente, também
são incluídas no escopo as perturbações na forma de onda, conforme mostrado
abaixo:
a) Fator de potência;
b) Harmônicos;
c) Desequilíbrio de tensão;
d) Flutuação de tensão;
e) Variação de tensão de curta duração;
f) Variação de freqüência.
Com relação à qualidade do serviço, o Módulo 8 estabelece a metodologia
para apuração, limites e compensações (caso houver) dos indicadores de
continuidade (DEC, FEC, DIC, FIC, DMIC), e também do tempo de atendimento às
ocorrências emergenciais (TMAE).
No que diz respeito à qualidade do produto, caracteriza os fenômenos,
parâmetros e valores de referência relativos à conformidade de tensão em regime
permanente e às perturbações na forma de onda de tensão, estabelecendo
mecanismos que possibilitem à ANEEL fixar padrões para os indicadores de
qualidade da energia elétrica, relativo à tensão em regime permanente. Porém,
ainda não foi definida metodologia de compensação relativa à conformidade da
forma de onda de tensão, exceto aqueles relativos ao fator de potência, conforme
Resolução Nº 456 de Novembro de 2000 da Aneel [07].
Os valores relativos à regulação de tensão em subestações, ou seja, tensão
em regime permanente, são definidos conforme o Módulo - 8 do PRODIST [06].
10
Capítulo II – Análise Bibliográfica
Os benefícios trazidos pela Resolução 505 (e posteriormente pelo PRODIST
– Módulo 8) são citados no trabalho [08], onde é citada a evolução até a
consolidação desta resolução dentro do cenário de regulação da qualidade de
energia elétrica em regime permanente, em que houve melhora dos níveis de
fornecimento, bem como também influenciou na melhoria da qualidade de vida dos
usuários e como ponto favorável, a diminuição da assimetria de informação existente
entre usuário, concessionária de serviço público e a agência reguladora.
No trabalho [09] é citada a melhoria da qualidade dos serviços prestados
pelas concessionárias de energia elétrica no Brasil a partir da implantação das
reformas do setor elétrico brasileiro, particularmente, com a criação e funcionamento
da Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL.
Uma abordagem interessante é feita no trabalho [10], onde a qualidade da
energia elétrica é analisada e tratada prioritariamente sob o foco do consumidor, isto
é, considerando as suas reais necessidades técnicas, os seus direitos e deveres e
ainda, em estrita consonância com a verdadeira missão da concessionária e do
órgão regulador: prestar um serviço adequado. Esse trabalho considera a vinculação
direta da qualidade da energia elétrica à conformidade da tensão elétrica
disponibilizada. No Item 3.7 cita que a resolução ANEEL nº 505/2001 apresentou
“um formidável elenco de virtudes que devem ser destacadas” em relação à Portaria
DNAEE nº 47/1978.
O artigo [11] fala sobre o processo de reestruturação do setor elétrico, como a
criação da Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL, do Operador Nacional do
Sistema Elétrico - ONS e sobre a separação do mercado de energia por meio da
desverticalização dos segmentos de geração, transmissão e distribuição, criando
com isso uma maneira de preservar a qualidade dos serviços prestados através de
dispositivos legais que visam garantir a prestação de um serviço adequado ao
consumidor.
Em [12] fica claro o controle cada vez maior de índices de qualidade (DEC,
DIC, FEC e FIC) pelo agente regulador, e propõe metodologias para quantificar e
propor soluções de engenharia para melhoria de índices de qualidade, ainda no
processo de planejamento.
11
Capítulo II – Análise Bibliográfica
Também é citado no trabalho [13] a questão da qualidade na prestação dos
serviços e a implantação dos sistemas de gestão da qualidade nas concessionárias
de energia elétrica.
Um projeto que tem a preocupação focada no treinamento de prestadores de
serviço é citado no trabalho [14], a fim de propiciar ao cliente de energia elétrica um
atendimento de maneira segura, eficiente e confiável.
O trabalho [15] Mostra uma metodologia de sistema distribuído para a
supervisão da tensão em redes de distribuição de energia elétrica, onde são feitos
monitoramentos dos índices DEC, FEC, DIC, FIC, DMIC, conforme resolução 24 da
Aneel [01] e os índices DRC, DRP, ICC, conforme resolução 505 da Aneel [02].
2.2 - ASSUNTOS RELACIONADOS À QUALIDADE DA ENERGIA
ELÉTRICA
O Módulo 8 - Qualidade da Energia Elétrica [06], além das perturbações em
regime permanente, na qual verifica e propõe penalidades de acordo com a não
conformidade dos níveis de tensão de energia elétrica, também caracteriza as
perturbações na forma de onda de tensão. Porém, ainda não fixou mecanismos
concretos que possibilitem à ANEEL verificar e controlar indicadores de qualidade da
energia elétrica com relação à forma de onda de tensão, ou seja, em regime
transitório, por isso ainda não foi implementada a compensação aos consumidores
para caso de transgressão dos limites dos indicadores de qualidade.
Em um sistema elétrico ideal, as condições de operação são:
a) Tensões e correntes alternadas com formas de onda senoidais puras;
b) Amplitudes constantes nos valores nominais;
c) Freqüência da rede constante no valor síncrono;
d) Tensões trifásicas equilibradas;
e) Fator de potência unitário nas cargas;
f) Perdas nulas na transmissão.
Porém, as condições ideais são situações teóricas, pois podem ocorrer vários
fenômenos na rede. De acordo com o PRODIST - Módulo 8, os aspectos
considerados da qualidade do produto em regime permanente ou transitório são:
12
Capítulo II – Análise Bibliográfica
a) tensão em regime permanente;
b) fator de potência;
c) harmônicos;
d) desequilíbrio de tensão;
e) flutuação de tensão (Efeito flicker);
f) variações de tensão de curta duração;
g) variação de frequência.
A Figura 2.1 apresenta uma classificação dos vários tipos de distúrbios:
Afundamento (Sag)
Elevação (Swell)
Interrupção (Outage)
Subtensão
Sobretensão
VARIAÇÕES NA
TENSÃO
DE CURTA DURAÇÃO
Impulsivos
Oscilatórios
VARIAÇÕES NA
TENSÃO
DE LONGA DURAÇÃO
TIPOS
DE
TRANSITÓRIOS
VARIAÇÃO
NA
FREQÜÊNCIA
DISTÚRBIOS
DISTORÇÕES NA
FORMA DE ONDA
Variação
na frequência
FLUTUAÇÃO
NA TENSÃO
Recorte de tensão
(notch)
Interferência eletromagnética
Distorçãoharmônica
Cintilação (flicker)
Fig. 2.1 – Resumos dos distúrbios relacionados à Energia Elétrica.
As perturbações na forma de onda de tensão são devido ao uso crescente de
equipamentos eletro-eletrônicos em consumidores industriais, que contribuem para o
aumento da produção, porém trazem associados problemas relacionados à
qualidade da energia elétrica, tanto para as empresas distribuidoras de energia
elétrica, quanto para os próprios consumidores.
O
trabalho
[16]
mostra
a
de
qualidade
da
energia
elétrica
em
estabelecimentos assistenciais de saúde, onde demonstra a sua importância, pois
está presentes nos mais diversos ramos de atividades e na maioria das resistências,
onde são citados:
•
Equipamentos usados atualmente são mais sensíveis à qualidade da energia
elétrica;
13
Capítulo II – Análise Bibliográfica
•
Empresas atualmente são mais sensíveis às perdas na produtividade,
comparadas com suas margens de lucro;
•
A eletricidade hoje é vista como um bem coletivo;
•
Ainda não estão definidas claramente as responsabilidades dos agentes do
setor elétrico brasileiro com relação à qualidade da energia elétrica em regime
transitório.
O progressivo interesse pela qualidade da energia elétrica deve-se,
principalmente, à evolução tecnológica dos equipamentos eletro-eletrônicos, e hoje
amplamente utilizados nos diversos segmentos de atividades, seja ele industrial,
comercial ou residencial.
Um dos problemas atuais são as VTCDs, ou seja, as variações de tensão de
curta duração (afundamento de tensão), que são comumente chamadas de SAGs.
As SAGs são danosas devido à sensibilidade de cargas e processos
industriais frente a afundamentos de tensão. Em [17] é proposta uma metodologia
de caracterização da sensibilidade de processos industriais frente aos afundamentos
de tensão.
Em [18] é proposto um software com o objetivo de estudos de afundamentos
de tensão, permitindo que, tanto concessionárias quanto consumidores, avaliem o
impacto dos afundamentos de tensão no sistema elétrico, representando um passo
importante no estabelecimento de medidas mitigadoras.
Com o mesmo foco, [19] apresenta um estudo de validação de ferramentas
de simulação de afundamentos através de medições efetuadas em uma
concessionária de energia elétrica.
Em [20] tem-se uma visão geral sobre as SAGs, baseada, inicialmente, no
levantamento das causas, características e fatores que influenciam a depressão de
tensão, são apresentadas as curvas de sensibilidade e os impactos dos principais
equipamentos eletro-eletrônicos que são mais sensíveis, e por fim, são
apresentadas as principais medidas preventivas e corretivas que podem ser
adotadas tanto pelas concessionárias como pelo do consumidor.
O artigo [21] faz uma análise do impacto das SAGs sobre equipamentos
eletrônicos, inicialmente sobre estatísticas de ocorrências em termos de freqüência,
14
Capítulo II – Análise Bibliográfica
magnitude e duração. Posteriormente, levantou-se a sensibilidade de vários
equipamentos eletrônicos frente a estes distúrbios.
O artigo [22] trata da experiência do Centro de Pesquisa de Energia Elétrica,
CEPEL, no desenvolvimento de ferramentas computacionais e laboratoriais que
permitem a análise e medição de problemas de qualidade da energia elétrica.
Em [23] é analisada a qualidade da energia elétrica em consonância com a
segurança industrial, no qual cita que “O aumento das exigências dos consumidores
tem forçado empresários de diversos setores produtivos a buscarem cada vez mais
eficiência e eficácia, objetivando principalmente a constante redução de custos e a
melhoria da qualidade do produto final. A consequente modernização de linhas de
produção industriais, cada vez mais automatizadas e utilizando microprocessadores
em larga variedade de equipamentos, processos e controles, tem tornado esses
processos industriais bastante vulneráveis aos problemas de qualidade da energia
elétrica. Esta tendência acentuada de crescimento de cargas, baseadas na
eletrônica de potência e microcomputadores, com processos e controles operativos
extremamente sensíveis às variações das características da energia eletromagnética
entregue, tem sido causa de muitas das reclamações por uma melhoria na qualidade
do fornecimento de energia elétrica pelas concessionárias”.
2.3 - ASSUNTOS RELACIONADOS AO PLANEJAMENTO DE UM SISTEMA
ELÉTRICO DE DISTRIBUIÇÃO.
O PRODIST - Módulo 8 [6], item 2.5.1 – b, cita: “os valores nominais devem
ser fixados em função dos níveis de planejamento do sistema de distribuição de
modo que haja compatibilidade com os níveis de projeto dos equipamentos elétricos
de uso final”, ou seja, a qualidade da energia elétrica começa a ser definida no
planejamento.
O PRODIST - Módulo 2 [5] tem entre os seus objetivos, o de estabelecer as
diretrizes para o planejamento da expansão do sistema de distribuição, pois trata
dos critérios de tensão para operação normal ou em contingência, sendo que os
limites operativos de tensão nos barramentos estão definidos no Módulo 8 –
qualidade da energia elétrica.
15
Capítulo II – Análise Bibliográfica
O PRODIST - Módulo 2 está diretamente envolvido com o processo de
regulação de tensão em subestações, pois esse processo começa no planejamento,
incluindo a previsão de aumento de cargas e necessidade de instalação de
dispositivos (capacitores, reguladores de tensão, recondutoramento de cabos, etc.),
na subestação, ou ao longo da linha de distribuição - LD, pois cita no item 2.7.2:
“Quando ocorrer a ultrapassagem dos limites de tensão de atendimento das
unidades consumidoras, a correção do nível de tensão deverá ser na própria
subestação ou nas linhas e redes de distribuição”.
A atividade de planejamento tem o objetivo de adequar o sistema elétrico de
distribuição - SED às futuras solicitações do mercado consumidor, garantindo um
suprimento de energia elétrica com níveis de qualidade compatíveis com esse
mercado, levando em consideração as normas vigentes e adequação dos custos.
O planejamento de um SED preocupa-se freqüentemente com a previsão de
queda de tensão e perdas de potência ativa que possam vir a ocorrer nessa rede,
avaliação ano a ano em que uma eventual restrição de tensão possa ocorrer e a
determinação do custo das perdas, quesão alguns dos motivos para que se tenha
metodologias para realizar a estimativa dessas grandezas durante certo período de
tempo.
O planejamento elétrico de um SED é elaborado de forma que permita
efetuar análises e projeções das grandezas do sistema, tais como, carregamento,
níveis de tensão e perdas dos alimentadores e subestações. O trabalho [24] referese ao planejamento usado pela CEMIG, com o objetivo de otimizar investimentos e
atender os níveis de qualidade de acordo com as regras do PRODIST, e elaborou
uma metodologia que integra algumas microrregiões, com o objetivo de racionalizar
o planejamento, otimizar a topologia e investimentos.
O artigo [25] foca na importância do planejamento em uma concessionária
de energia elétrica, pois é uma atividade que antecede a aplicação dos
investimentos mais significativos. Esses investimentos consistem desde a troca pura
e simples de um transformador de distribuição, até a construção de usinas,
passando pela construção de novos alimentadores ou subestações de distribuição,
ampliação das capacidades das subestações existentes, recapacitação de linhas de
distribuição existentes e/ou construção de linhas novas, assim como medidas de
menor investimento econômico, tais como a instalação de bancos de capacitores em
16
Capítulo II – Análise Bibliográfica
redes de distribuição e/ou em subestações de distribuição, instalação de bancos de
reguladores de tensão, etc.
No final dos anos 90 grande parte dos métodos de simulação da expansão,
baseava-se em uma abordagem estática, obtendo-se uma solução para um conjunto
fixo de dados. Estudos em planejamento dinâmico, considerando a evolução das
cargas ao longo do tempo e conseqüentes alterações topológicas nas redes, não
tinham muito sucesso quando aplicados a redes de tamanho real. Os modelos
matemáticos em que se baseiam estas técnicas são muito pesados ou ocultam
determinados aspectos de projeto que os engenheiros de planejamento consideram
importantes nos sistemas de distribuição.
O trabalho [26] Cita a necessidade de melhoria através de melhores
métodos de planejamento, e cita uma técnica que estava sendo desenvolvida,
algoritmo-matemático baseada na evolução natural dos organismos, conhecida
como Algoritmos Genéticos (AG).
Em [27] são citadas as técnicas de redes neurais artificiais na previsão de
consumo de carga elétrica. Em [28] também é feito um estudo de previsão de carga
de curtíssimo prazo via RNA (redes neurais artificiais).
Em [29] é apresentada uma metodologia para solução do problema de
expansão de redes de distribuição, usando um modelo de otimização não linear que
considera uma função objetivo que minimiza os custos de expansão e todas as
restrições necessárias para representar realisticamente o sistema. A técnica de
solução proposta para este problema é um algoritmo de Busca Tatu (BT).
A apresentação de uma nova metodologia para o planejamento de redes
secundárias de um SED, que visa a minimização dos custos através de métodos
heurísticos de otimização é feita no trabalho [30]
Em [31] é feito o trabalho de proposição automática de reforço em redes de
distribuição de energia elétrica utilizando Programação Linear (PL) e Algoritmos
Genéticos (AG).
O trabalho [32] apresenta os conceitos teóricos, modelos matemáticos,
técnicas de solução e resultados de pesquisas desenvolvidas envolvendo o
planejamento de um SED.
Em [33] é proposta uma metodologia de modelagem de carga, para estudo
de planejamento. Discutem-se os impactos e benefícios de uma correta modelagem
17
Capítulo II – Análise Bibliográfica
de carga para os diversos estudos de uma rede de distribuição, abordando a
adequada aplicação dos níveis de tensão aos barramentos de média tensão e sua
correlação com a questão da modelagem de carga.
2.4 - CORREÇÃO DO NÍVEL DE TENSÃO EM UM SISTEMA ELÉTRICO DE
DISTRIBUIÇÃO.
Os cálculos para o comportamento da tensão e das perdas de potência ativa
são feitos no processo de planejamento, conforme limites de tensão definidos pelo
PRODIST - Módulo 8. Caso ocorra a possibilidade de níveis de tensão em regime
permanente inadequados, deverão ser feitas ações para a correção desses valores.
O nível de tensão no consumidor é determinado pela tensão na subestação
e pelas quedas de tensão nas linhas e transformadores, variando com flutuações
nos níveis de consumo, com o fator de potência das cargas e flutuações na tensão
nas subestações.
As concessionárias de distribuição de energia elétrica enfrentam dificuldades
para controlar o fator de potência do sistema de distribuição, manter níveis de
tensões adequados e patamares aceitáveis de perdas ativas do sistema. Para
mitigar esses problemas utiliza-se a instalação de reguladores de tensão (OLTC) ao
longo dos alimentadores, ou através da racionalização da potência reativa do
sistema, com a instalação de bancos de capacitores (shunt ou série), sendo a
decisão de instalação desses equipamentos, definida conforme as características da
rede de distribuição.
A localização desses equipamentos, reguladores de tensão (RT1), capacitor
shunt ou derivação (CAP.1) e capacitores série (CAP.2), em uma rede de
distribuição de energia elétrica padrão, estão mostrados na Figura 2.2:
18
Capítulo II – Análise Bibliográfica
Fig. 2.2 – Topologia padrão de uma rede de distribuição de média tensão.
A escolha dos melhores locais para instalação de capacitores fixos ou
chaveados (isto é, com possibilidade de fornecer níveis diferentes de energia
reativa), e suas respectivas capacidades, é realizada nos procedimentos de
planejamento. O maior volume de perdas ocorre nos sistemas de distribuição de
energia elétrica. Capacitores shunt são largamente utilizados nos alimentadores
primários dos sistemas de distribuição para compensar potência reativa e
conseqüentemente obter melhor perfil de tensão, reduções das perdas de potência e
energia, e aumento da capacidade da rede de distribuição em atender carga ativa.
Um estudo sobre a alocação ótima dos capacitores é Proposto no trabalho
[34], onde determina as localizações, os dimensionamentos e o número de
capacitores a serem instalados no sistema de distribuição, tal que, o máximo de
benefícios seja alcançado, enquanto todas as restrições operacionais sejam
satisfeitas para diferentes níveis de carregamento.
O trabalho [35] Apresenta a metodologia desenvolvida e empregada no
planejamento estratégico para priorização da instalação de bancos de capacitores
da
AES
Eletropaulo,
utilizando
ferramentas
computacionais,
informações
operacionais, medições e gerenciamento de dados de venda de energia,
convergindo o resultado dos alimentadores priorizados através do retorno financeiro
na forma decrescente, de uma maneira confiável e eficaz.
Na dissertação [36] busca-se otimizar a alocação de bancos de capacitores
em redes primária e secundária de energia elétrica, através da otimização da
alocação dos mesmos nas redes primária e secundária de sistemas de distribuição
19
Capítulo II – Análise Bibliográfica
baseada em algoritmos genéticos (AG), juntamente com o método de fluxo de
potência da somas das correntes.
A decisão do local ótimo de instalação de bancos de capacitores é citada no
trabalho [37], onde diz que essa decisão corresponde a um problema de
programação matemática combinatória, e que a determinação da influência da
modelagem da carga na solução do problema, a inclusão de objetivos técnicos
relacionados ao controle de tensão, custos de operação e de manutenção, e perdas
de potência e energia, resultando numa nova formulação multi-critérios com critérios
conflitantes para o problema, e a viabilidade da aplicação de algoritmos genéticos
como método de solução dessa nova formulação, justificaram o desenvolvimento
desta pesquisa.
O trabalho [38] cita que a aplicação de bancos de capacitores é amplamente
utilizada nos SDMT (Sistema de Distribuição de Média Tensão), e que os
capacitores do SDBT (Sistema de Distribuição de Baixa Tensão) podem
proporcionar redução tanto no carregamento dos circuitos de SDBT como nos
transformadores, maior regulação da tensão, melhoria do fator de potência, refletida
nos circuitos de SDMT.
A aplicação de sistemas de compensação série é amplamente utilizada em
sistemas de transmissão. Em um SED, na maioria dos casos de regulação de
tensão, a utilização de reguladores de tensão ou banco de capacitores shunt
representam um menor custo em relação aos bancos de capacitores série. Porém,
quando se tem linhas longas, onde se pretende o aumento da capacidade de
transmissão, controle de tensão auto regulado e contínuo, melhoria do fator de
potência e diminuição de perdas, a compensação série passa a ser competitiva.
A utilização da filosofia de compensação série em sistemas de distribuição é
apresentada em [39] e cita que também tem apresentado inúmeros benefícios,
sendo que muitos projetos comprovam técnica e economicamente as vantagens
sobre o sistema convencional com reguladores de tensão e capacitores shunt. O
trabalho [40] também cita que o capacitor série sempre se apresentou como uma
boa solução para resolver problemas de regulação de tensão na distribuição, para
os casos de alimentadores longos, principalmente se puder ser implementada uma
sobre-compensação, pois além de compensar a indutância da linha compensa parte
20
Capítulo II – Análise Bibliográfica
dos reativos da carga, reduzindo a corrente que circula na linha, minimizando as
perdas e ampliando ainda mais a capacidade de correção de tensão do banco.
2.5 - PERDAS EM UM SISTEMA ELÉTRICO DE DISTRIBUIÇÃO
Entre os Módulos do PRODIST existe o Módulo 7 - Cálculo de Perdas na
Distribuição [41], que tem o objetivo de definir os indicadores de perdas e
estabelecer as disposições gerais sobre os dados necessários para o cálculo das
perdas por segmento de distribuição.
As perdas em um SED podem ser classificadas em:
a) Perdas Técnicas:
Próprias da rede e devido ao transporte e transformação de energia. São
aquelas intrínsecas ao sistema (efeito joule, efeito corona, correntes de
Foucault, correntes de fuga, etc.), podendo ocorrer em condutores, circuitos
magnéticos, conectores, dielétricos de capacitores, equipamentos de
proteção e regulação, dispositivos de medição, etc.
b) Perdas não-técnicas:
Decorrentes de erro e/ou não medição de energia.
As perdas técnicas de energia em um SDMT e SDBT são decorrentes das
resistências elétricas nas linhas e pela natureza indutiva de algumas cargas e
reatâncias das linhas, parte da energia dissipada é devida aos fluxos de potências
reativas entre a subestação e os pontos de carga, ou seja, a queda de tensão em
um SED é uma conseqüência direta das perdas técnicas.
Capacitores instalados próximos às cargas podem fornecer energia reativa
local, diminuindo as perdas de energia na rede. O trabalho [42] apresenta inovações
conceituais e de implementação, que permitem o resgate da abordagem por
programação
dinâmica
para
a
solução
do
problema
de
instalação
e
dimensionamento de capacitores fixos em redes de distribuição, para perfis de
cargas fixos ou variáveis.
Conforme [43] as perdas em 2001 eram da ordem de 15% da energia
requerida, equivalentes a 46.904 GWh, sendo 32% deste montante correspondente
21
Capítulo II – Análise Bibliográfica
às perdas não técnicas, e são feitas considerações sobre as perdas na distribuição
de energia elétrica no Brasil, onde é comentado que as perdas são inerentes ao
processo de transmissão e distribuição de energia elétrica, tanto as perdas técnicas,
entendidas como tais as decorrentes da interação da corrente elétrica e de seus
campos eletromagnéticos com o meio físico de transporte de energia, como as
perdas comerciais, referentes à energia entregue, mas não faturada. Comenta
também que as menores taxas de perdas, inferiores a 6%, encontram-se em países
desenvolvidos ou nos Tigres Asiáticos, como, por exemplo, Finlândia, Alemanha,
Japão, Bélgica, Áustria, França, Suíça, Holanda, República da Coréia e Cingapura.
Existem vários trabalhos relacionados à perdas, sendo referentes à melhor
configuração de uma determinada rede [44], tão quando a avaliação econômica de
transformadores de distribuição com base no carregamento e eficiência energética
[45].
A questão de perdas é uma área muito estudada atualmente, pois tem
reflexo diretamente na geração de receita pelas concessionárias. Pode-se dizer que
a regulação só é necessária devido à queda de tensão ao longo do SED, ou seja,
devido às perdas.
Na referencia [46] é apresentada uma metodologia de cálculo de perdas em
sistemas de distribuição, agregando estudo de níveis de tensão elétrica ao processo
de cálculo. Cita também que a redução de perdas de energia é uma parte importante
do problema geral de controle, planejamento e projeto de sistemas de potência.
2.6- ASSUNTOS RELACIONADOS À REGULAÇÃO DE TENSÃO
O trabalho [47] cita que o raio de ação, ou o carregamento máximo de um
alimentador é limitado pela queda de tensão ou corrente máxima admissível, e que
normalmente o limite de queda de tensão é alcançado primeiro, e que processos de
regulação de tensão podem ser adotados para evitar a restrição de queda de
tensão. Esse prolongamento da vida útil pode ser conseguido através da instalação
de reguladores de tensão e/ou capacitores.
Em relação aos equipamentos utilizados para correção de tensão em um
SED, é importante destacar que alguns têm capacidade apenas de executar
correção de tensão, e não regulação de tensão. Esse é o caso, por exemplo, dos
22
Capítulo II – Análise Bibliográfica
capacitores, que na maioria das vezes são estáticos, ou seja, ficam normalmente
energizados, independentemente do nível de controle de tensão desejado para o
sistema em dado momento, e quando são desenergizados ocasionam uma variação
brusca na tensão, sendo normalmente necessária a comutação dos reguladores de
tensão na subestação ou ao longo da rede (quando houver).
Existem também os bancos de capacitores chaveados, que podem ser
energizados parcialmente, de acordo com a necessidade do sistema para o controle
de tensão, mas deverá ser estabelecida uma filosofia de controle hierárquico,
considerando as características da carga de cada subestação de distribuição, dos
sistemas regionais de subtransmissão e do sistema de transmissão, porém são
muito mais caros, e normalmente são preteridos em prol dos reguladores de tensão.
O perfil de tensão no ciclo diário de carga ou em condições de emergência é
uma variável de fundamental importância para determinar a qualidade de
atendimento aos clientes. Para esses casos são usados os reguladores de tensão
ao longo do SDMT, onde normalmente são controlados usando a mesma filosofia de
regulação de tensão através do CAT (controle automático de tensão), Porém, esses
reguladores de tensão instalados na rede são fontes de VTCDs.
Em [48] é apresentada uma tecnologia baseada em eletrônica de potência
como alternativa aos comutadores eletromecânicos de taps, que são utilizados nos
reguladores de tensão para SDMT. O estudo realizado mostrou que a operação dos
reguladores de tensão com comutador eletrônico de taps possibilitou uma redução
significativa no tempo de regulação da tensão, o que reflete diretamente em uma
melhoria na qualidade da energia fornecida principalmente devido à capacidade de
compensação de VTCDs.
A busca constante da melhoria na qualidade do fornecimento de energia,
levou a Escelsa a trabalhar fortemente na otimização e controle de tensão do seu
sistema elétrico [49].
O trabalho [50] mostra que em 1988 já se discutia uma metodologia de
regulagem de tensão diferente do modelo tradicional (LDC). Nesse modelo foi
proposta uma alternativa, onde a regulação de tensão é feita de acordo com a
variação de corrente e do fator de potência instantâneo do circuito.
O trabalho [51] descreve uma metodologia onde a regulação de tensão será
feita de acordo com a variação da carga. Esta ferramenta chamada de reta de carga
23
Capítulo II – Análise Bibliográfica
atende exatamente esta necessidade de se variar a tensão de referência em função
da carga. Os efeitos diretos na utilização desta ferramenta é a obtenção de uma
tensão regulada maior em momentos de pico de demanda.
No trabalho [52] é proposta uma metodologia pela Elektro para atender a
regulação de tensão alternativa à técnica de LDC, que não se mostrou satisfatória
em algumas situações de regulação de tensão que fosse capaz de suprir as
características de sazonalidade de suas redes de distribuição devido ao perfil dos
consumidores, por mudanças nas configurações do sistema elétrico em situações de
manobras ou ainda por característica da carga durante um dia típico onde, durante o
dia, a carga é fortemente industrial em determinadas partes de uma região elétrica
(distritos industriais) e, no horário de ponta, fortemente residencial em outras partes
da mesma região elétrica (bairros residenciais). Esse artigo apresenta as
experiências e os resultados obtidos com a aplicação do novo sistema de regulação
de tensão, que opera considerando a sazonalidade das cargas.
Na referência [53] é proposto um sistema que usa inteligência artificial
(Lógica Fuzzy), que atua no CAT da subestação, propondo uma forma mais flexível
de comutação de taps, nos diferentes regimes de carga (leve, média e pesada),
além de melhorar o perfil de tensão em carga pesada. Esse trabalho propõe
implementar funções inteligentes para o relé de regulação de tensão, que se
adaptem às condições de cada subestação.Em [54] também é proposto um sistema
inteligente, através do uso de Lógica Fuzzy para realizar o controle de tensão em
reguladores de tensão, tornando os relés de controle de tensão adaptativos.
Em [55] é proposta a otimização dos ajustes de reguladores de tensão
aplicados em redes de distribuição com acentuada variação de carga, visando
atender a legislação e a satisfação dos clientes.
24
Capítulo III - Planejamento do Sistema Elétrico de Distribuição
CAPÍTULO III
PLANEJAMENTO DO SISTEMA ELÉTRICO DE DISTRIBUICÃO
3.1. - INTRODUÇÃO
O planejamento da expansão do sistema elétrico de distribuição (SED) é
uma atividade que antecede a aplicação dos investimentos numa empresa de
distribuição de energia elétrica. Os investimentos consistem desde a troca de um
transformador de distribuição, passando por novos alimentadores de distribuição,
novas subestações de distribuição, ampliação das capacidades das subestações
existentes, recapacitação de linhas de distribuição existentes e/ou construção de
linhas novas, assim como medidas, como instalação de bancos de capacitores em
redes de distribuição e/ou em subestações de distribuição, instalação de reguladores
de tensão ao longo da LD, etc.
Todas essas ações visam o atendimento ao sempre crescente mercado
consumidor de energia elétrica. Além disso, exige-se das empresas um atendimento
ao mercado com mais qualidade, comprovada pelos indicadores nacionais de
qualidade definidos pela ANEEL. Acrescente-se a essas obrigações de caráter
técnico outra igualmente importante: sobreviver no mercado competitivo e dar lucro
para os seus acionistas.
O PRODIST Módulo 2 – Planejamento da expansão do sistema de
distribuição [5] tem entre os seus objetivos, o de estabelecer as diretrizes para o
planejamento da expansão do sistema de distribuição, pois trata dos critérios de
tensão para operação normal ou em contingência, sendo que os limites operativos
de tensão nos barramentos estão definidos no Módulo 8 – Qualidade da Energia
Elétrica.
25
Capítulo III - Planejamento do Sistema Elétrico de Distribuição
O Módulo 8, item 2.5.1 – b, cita: “os valores nominais devem ser fixados em
função dos níveis de planejamento do sistema de distribuição de modo que haja
compatibilidade com os níveis de projeto dos equipamentos elétricos de uso final”,
ou seja, a qualidade da energia elétrica, começa a ser definida no planejamento.
O Módulo 2 está diretamente envolvido com o processo de regulação de
tensão em subestações, pois esse processo começa no planejamento, incluindo a
previsão de aumento de cargas e necessidade de instalação de dispositivos
(capacitores, reguladores de tensão, recondutoramento de cabos, etc.), na
subestação, ou ao longo da rede, pois cita no item 2.7.2, “ Quando ocorrer a
ultrapassagem dos limites de tensão de atendimento das unidades consumidoras, a
correção do nível de tensão deverá ser na própria subestação ou nas linhas e redes
de distribuição”.
Conhecer a demanda de energia elétrica previamente faz com que medidas
preventivas sejam tomadas, visando garantia da qualidade. O nome dado ao estudo
do comportamento futuro do consumo de energia é previsão de carga. O
planejamento e projeto do sistema de distribuição é feito com base numa previsão
de carga de longo e médio prazo. Se a previsão é feita de forma muito conservativa,
a capacidade instalada provavelmente se esgotará em pouco tempo, acarretando
problemas de continuidade de serviço, regulação de tensão e até mesmo de
racionamento de energia. Por outro lado, uma previsão de carga bastante otimista
pode conduzir à instalação de um sistema com capacidade excessiva.
O planejamento em SED preocupa-se com a previsão da queda de tensão e
das perdas de potência ativa que podem ocorrer nestas redes.
A avaliação ano a ano em que uma eventual restrição de tensão possa
ocorrer e a determinação do custo das perdas, são alguns dos motivos para que se
tenha metodologias para realizar a estimativa dessas grandezas durante certo
período de tempo.
26
Capítulo III - Planejamento do Sistema Elétrico de Distribuição
3.2 - CARACTERIZAÇÃO DO SISTEMA ELÉTRICO DE DISTRIBUIÇÃO
SED – Sistema Elétrico de Distribuição
Suprimento
SD - Subestação de
Distribuição
SDAT – Sistema de
Distribuição de Alta Tensão
SDMT – Sistema de
Distribuição de Média Tensão
Consumidor
primário
Transformador
de Distribuição
SDBT – Sistema de Distribuição
de Baixa Tensão.
Ramal de Ligação
Medidor de Energia
Fig. 3.1 – Topologia padrão de um sistema elétrico de distribuição.
As redes elétricas são usualmente classificadas em três níveis:
•
(SDAT) Sistema de distribuição de alta tensão (69 kV ate 230 kV);
•
(SDMT) Sistema de distribuição de média tensão (1kV até < 69 kV);
•
(SDBT) Sistema de distribuição de baixa tensão (< 1 kV).
A carga é caracterizada pelas demandas de potência ativa e reativa, sendo
dividida em horários, normalmente considerada como:
•
Carga Leve (00:00 às 8:00 hs);
•
Carga Média (08:00 às 18:00 hs e 21:00 às 24:00 hs);
•
Carga Pesada (18:00 as 21:00 hs).
27
Capítulo III - Planejamento do Sistema Elétrico de Distribuição
3.2.1 - Sistema de Distribuição de Alta Tensão (SDAT)
Para o SDAT, o objetivo do planejamento é definir um plano de obras para o
horizonte de estudo, visando adequar o sistema existente às melhores condições
operativas e atender às necessidades do crescimento da geração e do consumo de
energia elétrica, fornecendo subsídios para a definição dos pontos de conexão. O
horizonte de previsão é de dez anos, com periodicidade anual.
3.2.2 - Sistema de Distribuição de Média Tensão (SDMT) e das
Subestações de Distribuição (SD)
O objetivo do planejamento das SD e do SDMT é definir a expansão dos
alimentadores, a expansão das SD existentes e a localização das novas, compondo
um conjunto de obras para atender o incremento de carga, observando os critérios
técnicos, econômicos e ambientais.
O horizonte dos estudos do SDMT é de sete anos e das SD é de dez anos,
ambos discretizados anualmente. Esses estudos devem ser revisados a cada ano e
devem incluir uma avaliação crítica entre o planejado e o realizado no ano anterior.
As tensões mais usadas são 13.8kV, podendo haver sistemas operando
normalmente até 34.5 kV.
3.2.3 - Sistema de Distribuição de Baixa Tensão (SDBT)
O objetivo do planejamento do SDBT é definir a expansão das redes
secundárias do sistema de distribuição, compondo um conjunto de obras para
atender o incremento da carga, observando os critérios técnicos, contábeis e
econômicos.
O planejamento do SDBT deve definir um plano de obras para um horizonte
de sete anos, visando adequar o sistema existente ao atendimento de novas cargas
e às melhores condições operativas.
28
Capítulo III - Planejamento do Sistema Elétrico de Distribuição
3.3 – PLANEJAMENTO DO SISTEMA ELÉTRICO DE DISTRIBUIÇÃO (SED)
A atividade de planejamento tem o objetivo de adequar, o SED às futuras
solicitações do mercado consumidor, garantindo um suprimento de energia elétrica
com níveis de qualidade compatíveis com esse mercado, levando em consideração
as normas vigentes e adequação dos custos.
3.3.1- Níveis de Planejamento
Existem 2 níveis de planejamento: estratégico e tático.
3.3.1.1 - Planejamento Estratégico
É o processo de decidir sobre a escolha dos objetivos atuais da distribuição,
com uma perspectiva de longo prazo (10 anos), verificando quais investimentos
serão necessários para a manutenção dos níveis de qualidade de fornecimento,
confrontados com o crescimento e a evolução do SED.
3.3.1.2 - Planejamento Tático
É o processo de escolha dos recursos para se atingir os objetivos propostos.
Analisa as condições técnicas, geográficas e econômicas do SED com horizonte de
médio prazo (até 7 anos), verificando as questões de onde, quando e no que
investir. Cabe ao planejamento tático os detalhes da expansão, ampliação e reforços
no SED, resultando no plano de obras.
3.3.2- Metas de Qualidade
A fixação de metas de qualidade constitui um ponto essencial no processo
de planejamento das empresas (concessionárias) de distribuição de energia elétrica.
Essas metas fixadas no nível de planejamento estratégico passam a ser os
pontos estabelecidos para a definição dos critérios táticos, ou seja, na localização e
29
Capítulo III - Planejamento do Sistema Elétrico de Distribuição
no arranjo do SED, na localização e escolha de equipamentos de regulação de
tensão e seccionamento automático, na configuração da rede de distribuição e infraestrutura de operação e manutenção.
É importante salientar que as metas de qualidade são fixadas pela Aneel,
através do PRODIST, para todas as concessionárias de distribuição de energia
elétrica, onde são levadas em consideração a disponibilidade de recursos
financeiros, despesas de investimentos e remuneração adequada para esses
investimentos.
A qualidade de fornecimento de energia elétrica é definida através de duas
maneiras: qualidade do produto e qualidade do serviço.
3.3.2.1 - Qualidade do Produto
Relaciona os indicadores e padrões a serem calculados e monitorados para
a boa qualidade do produto, prevendo punições no caso de violação das faixas
limites admissíveis, sendo:
a) tensão em regime permanente;
b) fator de potência;
c) harmônicos;
d) desequilíbrio de tensão;
e) flutuação de tensão (Efeito flicker);
f) variações de tensão de curta duração;
g) variação de frequência.
O PRODIST - Módulo 8, além das perturbações em regime permanente na
qual verifica e propõe penalidades de acordo com a não conformidade dos níveis de
tensão de energia elétrica, também caracteriza as perturbações na forma de onda
de tensão. Porém, ainda não fixou mecanismos concretos que possibilitem à ANEEL
verificar e controlar indicadores de qualidade em relação à forma de onda de tensão,
ou seja, em regime transitório, por isso ainda não foi implementada a compensação
aos consumidores para o caso de transgressão dos limites dos indicadores de
qualidade.
30
Capítulo III - Planejamento do Sistema Elétrico de Distribuição
Com relação aos indicadores de tensão em regime permanente, são
apurados os indicadores individuais: duração relativa da transgressão de tensão
precária (DRP) e duração relativa da transgressão de tensão crítica (DRC),
aplicando-se as seguintes equações, também constantes no PRODIST – Módulo 8.
DRP =
npl
. 100%
1008
(3.1)
DRC =
npc
. 100%
1008
(3.2)
Onde npl e npc são, respectivamente, os números de leituras nas faixas
precárias e críticas. Estes indicadores são levantados para cada barra do
alimentador, onde são estabelecidos intervalos de 10 minutos, o que equivale a
1008 medições em 1 semana.
Caso ocorram transgressões dos valores conforme definidos nas Tabelas
1.1, 1.2 e 1.3, será calculada uma compensação a quem tiver sido submetido ao
serviço inadequado, conforme regras definidas no PRODIST – Módulo 8.
3.3.2.2 - Qualidade do Serviço
São verificados os índices de continuidade para o sistema de distribuição e
os índices relacionados ao tempo de atendimento a ocorrências emergenciais, a
seguir:
3.3.2.2.1 - Indicadores de continuidade
Utiliza uma metodologia de apuração de índices de continuidade para o
sistema de distribuição (DEC, FEC, DIC, FIC, DMIC), do tempo de atendimento de
ocorrências e do sistema de monitoramento automático dos indicadores de
qualidade, sendo:
31
Capítulo III - Planejamento do Sistema Elétrico de Distribuição
a) DEC (Duração equivalente de interrupção por consumidor):
Indica o número de horas em média que um consumidor fica sem energia
elétrica durante um período.
b) FEC (Freqüência equivalente de interrupção por consumidor):
Indica quantas vezes houve interrupção.
c) DIC (Duração de interrupção individual por unidade consumidora):
Indica quanto tempo um consumidor ficou sem energia elétrica durante um
período considerado.
d) FIC (Freqüência de interrupção individual por unidade consumidora):
Indica número de vezes que um consumidor ficou sem energia elétrica
durante um período considerado.
e) DMIC
(Duração
máxima
de
interrupção
contínua
por
unidade
consumidora).
Indica o tempo máximo de cada interrupção, impedindo que a
concessionária deixe o consumidor sem energia elétrica durante um
período muito longo.
3.3.2.2.2 - Indicadores de Tempo de Atendimento a Ocorrências
Emergenciais
a) TMP (tempo médio de preparação):
Tempo médio de preparação da equipe de atendimento de emergência,
expresso em minutos. Esse indicador mede a eficiência dos meios de
comunicação e dos fluxos de informação dos Centros de Operação.
b) TMD (tempo médio de deslocamento):
Tempo médio de deslocamento da equipe de atendimento de emergência,
expresso
em
minutos.
Esse
indicador
mede
a
eficácia
do
32
Capítulo III - Planejamento do Sistema Elétrico de Distribuição
dimensionamento e localização geográfica das equipes de manutenção e
operação.
c) TME (tempo médio de execução):
Tempo médio de execução do serviço até seu restabelecimento pela
equipe de atendimento de emergência, expresso em minutos. Esse
indicador mede a eficácia do restabelecimento do sistema de distribuição
pelas equipes de manutenção e operação.
d) TMAE (tempo médio de atendimento a emergências):
Tempo médio de atendimento a ocorrências emergenciais, representando
o tempo médio de mobilização da equipe de atendimento de emergência,
expresso em minutos utilizando a seguinte fórmula:
TMAE = TMP + TMD + TME.
3.4 - PREVISÃO DE DEMANDA (CARGA)
Uma das tarefas básicas do planejamento é a previsão de carga, onde são
consideradas a evolução histórica das cargas e a previsão de crescimento futuro.
Conhecer a demanda de energia elétrica previamente faz com que medidas
preventivas sejam tomadas, visando à garantia da qualidade. O nome dado ao
estudo do comportamento futuro do consumo de energia é previsão de carga. O
planejamento e projeto do sistema de distribuição são feitos com base numa
previsão de carga a longo e médio prazo. Se a previsão é feita de forma muito
conservativa, a capacidade instalada provavelmente se esgotará em pouco tempo,
acarretando problemas de continuidade de serviço, regulação de tensão e até
mesmo de racionamento de energia. Por outro lado, uma previsão de carga bastante
otimista pode conduzir a instalação de um sistema com capacidade excessiva.
As projeções de consumo são feitas por classe de consumidores:
•
Consumidores residenciais;
•
Consumidores industriais;
•
Consumidores comerciais;
33
Capítulo III - Planejamento do Sistema Elétrico de Distribuição
•
Outros (consumidores rurais, iluminação pública, poderes públicos,
serviços públicos, perdas de energia).
3.5 - ANÁLISE DO SISTEMA ELÉTRICO DE DISTRIBUIÇÃO (SED)
EXISTENTE
Essa etapa do planejamento tem a função de diagnosticar as condições de
operação atuais e as previstas para os próximos anos.
Essa análise baseia-se na verificação atual do carregamento e dos níveis de
qualidade, e o comportamento do sistema para o atendimento das cargas futuras,
verificando a necessidade de obras para a expansão do sistema.
As análises do SED são feitas separadamente, conforme a seguir:
3.5.1 - Sistema de Distribuição de Alta Tensão (SDAT)
Deverão ser abordados os seguintes itens:
•
Níveis de continuidade;
•
Níveis de tensão;
•
Carregamento;
•
Equipamento de proteção.
3.5.2 - Sistema de Distribuição de Média Tensão (SDMT) e das
Subestações de Distribuição (SED)
Deverão ser abordados os seguintes itens:
•
Níveis de continuidade;
•
Níveis de tensão;
•
Perfil de carga e carregamento;
•
Níveis de Curto-Circuito;
•
Seccionamento e Proteção.
34
Capítulo III - Planejamento do Sistema Elétrico de Distribuição
3.5.3 - Sistema de Distribuição de Baixa Tensão (SDMT)
Deverão ser abordados os seguintes itens:
•
Níveis de continuidade;
•
Níveis de tensão;
•
Carregamento.
3.6 - PLANO DE OBRAS
Após a previsão da carga e análise do SED existente, torna-se necessária a
definição do plano de obras a curto, médio e longo prazo, com a função de corrigir
as deficiências atuais (caso existam) e de preparar o SED para as obras de
atendimento à carga futura.
As alternativas devem atender as metas de qualidade de serviço e para isso
são feitas simulações com relação à qualidade de tensão, confiabilidade e
carregamento para cada ano do horizonte.
3.6.1 - Estudos do Sistema Elétrico
Apenas exemplificando, os seguintes pontos devem ser analisados:
a) Tensão Nominal:
São verificados os níveis de tensão ao longo do alimentador, e as
soluções necessárias para estarem em conformidade com a legislação
atual (PRODIST – Módulo 8).
b) Transformador e circuito secundário:
São levados em consideração os tipos de sistemas mais utilizados
(paralelo, radial, aéreo, subterrâneo, etc).
c) Distribuição primária:
São verificados os diversos modelos disponíveis: aérea, aérea protegida,
subterrânea, etc. e podendo ser radiais, radiais com recursos interligados
(interligação com chave NA), etc
35
Capítulo III - Planejamento do Sistema Elétrico de Distribuição
d) Subestações:
Preferencialmente as subestações deverão estar localizadas o mais
próximo possível do centro de carga. Devendo ser verificados os seguintes
itens?
•
Planejamento:
São verificados vários fatores, tais como: demanda inicial e projetada,
disponibilidade de circuitos de alimentação da SD e seus arranjos,
tensão de distribuição, disponibilidade de terreno, etc.
•
Arranjo da Subestação:
São verificados os arranjos possíveis da SD, tais como: barra simples
ou dupla, disjuntores de transferência, transfer-trip, chave de
aterramento, etc.
•
Localização:
São verificadas as conexões com alimentadores e linhas de
transmissão, distância do centro de carga, atendimento a emergências,
custo do terreno, etc.
e) Subtransmissão:
Normalmente são privilegiadas as linhas aéreas devido ao custo, porém as
linhas subterrâneas são necessárias para as áreas densamente
povoadas. A configuração dos circuitos (radial ou anel) é verificada de
acordo com confiabilidade e custos.
3.6.2 - Analise Técnico-econômica
As alternativas formuladas deverão atender aos requisitos de qualidade de
serviço. A análise técnica visa a verificação das condições desse atendimento. A
análise econômica verifica todos os custos e investimentos associados.
36
Capítulo III - Planejamento do Sistema Elétrico de Distribuição
3.6.2 1 - Analise Técnica
Consiste no cálculo da queda de tensão, da confiabilidade e carregamento
dos condutores, através da simulação das condições operativas do sistema elétrico
previsto em cada alternativa:
a) Tensão:
Os valores de tensão são definidos conforme as regras da ANEEL
(PRODIST- Módulo 8)
As simulações são feitas através de softwares de fluxo de carga, sendo
que são fornecidos os seguintes resultados:
•
Trechos do alimentador com nível de tensão fora da faixa;
•
Elevação de tensão e redução de corrente provocada por instalação de
banco de capacitores;
•
Regulação de tensão devido à instalação de reguladores de tensão;
•
Carregamento dos condutores e equipamentos;
•
Fluxo de carga;
•
Correntes de curto circuito.
b) Continuidade e Qualidade do Serviço:
Os valores de continuidade e os valores da qualidade do serviço são
definidos conforme regras da ANEEL (PRODIST - Módulo 8).
c) Carregamento:
Os cálculos de carregamento consistem na relação entre a corrente de
carga e a corrente máxima admissível em determinado ponto. Os níveis de
carregamento são estabelecidos em função das condições operativas dos
alimentadores, em condição normal e de emergência.
3.6.2.2 - Análise Econômica
São feitas avaliações de análise econômica, custos de perdas e custos de
operação e manutenção.
37
Capítulo III - Planejamento do Sistema Elétrico de Distribuição
a) Determinação do valor do investimento:
Deve contemplar todos os recursos materiais e humanos necessários à
execução do investimento:
•
Custo de materiais e equipamentos;
•
Compra e/ou desapropriação de terrenos e aquisição de servidões;
•
Mão-de-obra da empresa;
•
Serviços contratados;
•
Outras despesas.
b) Custos de operação e manutenção:
Deverão ser verificados os custos com operação, manutenção, tempo de
atendimento a ocorrências de acordo com a importância do sistema,
sendo coerente com as regras de qualidade da ANEEL.
c) Avaliação e custo das perdas:
As perdas implicam na geração de energia adicional, sem uma
contrapartida na remuneração dos custos. São divididas em perdas
técnicas e perdas não-técnicas.
3.7 - PERDAS EM UM SISTEMA ELÉTRICO DE DISTRIBUIÇÃO
As perdas não técnicas não são calculadas diretamente, são calculadas pela
diferença entre a perda total e a perda técnica.
a) Perdas Técnicas:
Próprias da rede e devido ao transporte e transformação de energia. São
aquelas intrínsecas ao sistema (efeito joule, efeito corona, correntes de
Foucault, correntes de fuga, etc), podendo ocorrer em condutores,
circuitos magnéticos, conectores, dielétricos de capacitores, equipamentos
de proteção e regulação, dispositivos de medição, etc.
b) Perdas não-técnicas:
Decorrentes de erro e/ou não medição de energia.
38
Capítulo III - Planejamento do Sistema Elétrico de Distribuição
A perda total é calculada pela diferença entre a energia requerida pela rede
e pelo consumo.
Para a avaliação das perdas técnicas são considerados os seguintes
componentes:
•
Condutores da rede primária e secundária;
•
Transformadores de distribuição;
•
Ramais de ligações;
•
Medidores;
•
Outros tipos de perdas técnicas (efeito corona, fuga em isoladores).
As perdas técnicas de energia nas redes primarias de distribuição são
decorrentes das resistências elétricas nas linhas. Pela natureza indutiva de algumas
cargas e reatâncias das linhas, parte da energia dissipada é devida aos fluxos de
potências reativas entre a subestação e os pontos de carga.
39
Capítulo IV – Queda de Tensão no SED e Métodos de Correção de Tensão
CAPÍTULO IV
QUEDA DE TENSÃO NO SISTEMA ELETRICO DE DISTRIBUIÇÃO E
MÉTODOS DE CORREÇÃO DE TENSÃO.
4.1 - INTRODUÇÃO
O Planejamento em um sistema elétrico de distribuição (SED) preocupa-se
com a previsão da queda de tensão e das perdas de potência ativa que podem
ocorrer nestas redes. A avaliação ano a ano em que uma eventual restrição de
tensão possa ocorrer e a determinação do custo das perdas, são alguns dos motivos
para que se tenha metodologias, para realizar a estimativa dessas grandezas
durante certo período de tempo, sendo que para o sistema de distribuição média
tensão (SDMT) e das subestações de distribuição (SD), deverão ser abordados os
seguintes itens:
•
Níveis de continuidade;
•
Níveis de tensão;
•
Perfil de carga e carregamento;
•
Níveis de Curto-Circuito;
•
Seccionamento e Proteção.
Na etapa do planejamento de análise técnica é feito o cálculo da queda de
tensão, da confiabilidade e carregamento dos condutores, através da simulação das
condições operativas do sistema elétrico previsto em cada alternativa, Os valores de
tensão são definidos conforme as regras do PRODIST - Módulo 8.
40
Capítulo IV – Queda de Tensão no SED e Métodos de Correção de Tensão
Para a tensão, as simulações são feitas através de softwares de fluxo de
carga, através de várias metodologias [56] citadas no Capítulo II, onde são
fornecidos os seguintes resultados:
a) Trechos do alimentador com nível de tensão fora da faixa;
b) Elevação de tensão e redução de corrente provocada por instalação de
banco de capacitores;
c) Regulação de tensão devido à instalação de reguladores de tensão;
d) Carregamento dos condutores e equipamentos;
e) Fluxo de carga;
f) Correntes de curto circuito.
Nesse capítulo serão verificadas as causas de queda de tensão em um
sistema elétrico da distribuição, e o uso de capacitores para a correção de tensão.
4.2 - QUEDA DE TENSÃO EM UMA LINHA DE DISTRIBUIÇÃO
O nível de tensão de uma rede de distribuição de energia elétrica é
determinado pela tensão na subestação e pelas quedas de tensão nas linhas e
transformadores, variando com flutuações nos níveis de consumo, e por flutuações
na tensão nas subestações, oriundas do SDAT.
Uma linha de distribuição possui uma impedância que é inerente ao circuito,
sendo, devido à resistência elétrica da linha (R) e as indutâncias (L) e capacitâncias
(LC) distribuídas ao longo da linha [57], conforme mostrado a seguir:
Fig. 4.1 Circuito equivalente de uma linha de distribuição (LD).
Em linhas de distribuição aéreas os efeitos da reatância capacitiva podem
ser desprezados. Então, o circuito simplificado pode ser representado conforme a
Figura 4.2:
41
Capítulo IV – Queda de Tensão no SED e Métodos de Correção de Tensão
Fig. 4.2 Circuito simplificado de uma linha de distribuição.
A queda de tensão em uma LD pode ser aproximada através da seguinte
expressão:
VS = VR + VQ
(4.1)
Então:
VR = VS – VQ
(4.2)
Em casos de linhas de distribuição, VQ pode ser aproximada através da
seguinte equação:
VQ ≈ IR.R + IX.X
(4.3)
Substituindo em (4.2), tem-se:
VR ≈ VS - IR.R - IX.X
(4.4)
Onde:
•
VS
Tensão na barra regulada da subestação;
•
VR
Tensão regulada no consumidor;
•
VQ
Queda de tensão ao longo da LD;
•
IR
Corrente devido à potência ativa;
•
IX
Corrente devido à potência reativa;
•
R
Resistência da LD;
•
X
Reatância da LD.
42
Capítulo IV – Queda de Tensão no SED e Métodos de Correção de Tensão
Pode-se concluir que a queda de tensão está diretamente ligada à queda
Ôhmica da LD (IR.R) e a reatância da LD (IX.X).
4.3 - CORREÇÃO DE TENSÃO EM UMA LINHA DE DISTRIBUIÇÃO
Os equipamentos mais usados para correção de tensão no SED são os
capacitores e reguladores de tensão.
Os capacitores podem ser instalados em série ou paralelo (Shunt).
Normalmente
são
estáticos,
ou
seja,
ficam
normalmente
energizados,
independentemente do nível de controle de tensão desejado para o sistema em
dado momento.
Existem também os bancos de capacitores chaveados, que podem ser
energizados parcialmente, de acordo com a necessidade do sistema para o controle
de tensão, mas deverá ser estabelecida uma filosofia de controle hierárquico,
considerando as características da carga de cada subestação de distribuição, dos
sistemas regionais de subtransmissão e do sistema de transmissão, porém são
muito mais caros, e normalmente são preteridos em prol dos reguladores de tensão.
Em relação aos equipamentos utilizados para correção de tensão em um
SED, é importante destacar que alguns têm capacidade apenas de executar
correções de tensão (banco de capacitores), e não controle de tensão (reguladores
de tensão).
Além dos métodos de correção nos níveis de queda de tensão citados
anteriormente (instalação de capacitores e reguladores de tensão), existem
intervenções através de melhorias na rede ou manobras, que podem ser feitas nos
SDMT e SDBT para possibilitar melhorias nessas redes [58].
4.3.1 - Ações para Melhorias de Tensão no SDBT
a) Equilíbrio de fases:
O desequilíbrio de carregamento das fases de um circuito secundário
provoca maior queda de tensão na fase mais carregada, e o mau
funcionamento de aparelhos e equipamentos trifásicos.
43
Capítulo IV – Queda de Tensão no SED e Métodos de Correção de Tensão
b) Deslocamento de transformadores:
Um mau posicionamento do transformador na rede pode acarretar queda
de tensão em cargas mais distantes desse “centro de carga”.
c) Fechamento em anel:
Manobras na rede podem redistribuir o fluxo de potência nessas redes.
d) Redivisão de circuitos:
Pode-se
transferir
cargas
entre
circuitos,
ou
instalar
novos
transformadores.
e) Mudança de tap do transformador:
Em casos isolados (circuitos rurais), pode se alterar o tap de
transformadores.
f) Lançamento de fases:
Substituição de circuitos 1
por 3 , pode resultar na diminuição da
corrente e conseqüentemente da queda de tensão.
g) Substituição de transformadores:
A substituição de transformadores 1
por 3 , ou substituição de
transformadores por outros de maior potência, podem resultar na
diminuição da queda de tensão.
h) Troca de condutores;
Com o crescimento da carga, a troca de condutores por outro de maior
bitola, poderá reduzir as perdas.
4.3.1 - Ações para Melhorias de Tensão no SDMT
a) Equilíbrio de fases:
Os
circuitos
desequilibrados
podem
acarretar
sobrecarga
no
transformador da SE, reguladores de tensão, etc, mesmo que a carga
44
Capítulo IV – Queda de Tensão no SED e Métodos de Correção de Tensão
instalada seja menor que a potência nominal dos equipamentos. pois
pode ocorrer desequilíbrio na fase mais carregada do circuito a ponto de
causar uma sobrecarga somente nessa fase.
b) Redivisão de circuitos:
Alimentadores mais carregados podem comprometer circuitos menos
carregados, criando também boas condições para transferência de carga.
c) Lançamento de fase:
Em alimentadores monofásicos a queda de tensão na fase é adicional à
queda de tensão no neutroe a alteração para um trifásico (total ou
parcial), permitirá um crescimento de carga bastante considerável.
d) Troca de bitola de condutores:
A troca de condutores irá acarretar numa maior capacidade de carga no
alimentador.
A queda de tensão ao longo de um alimentador pode ser expressa da
seguinte forma:
ΔV ≈ 3 I ( R cos Ø + Xsen Ø) d
(4.5)
Onde:
•
I
Corrente do trecho considerado;
•
R
Resistência do condutor em Ω/km;
•
X
Reatância do condutor em Ω/km;
•
cos Ø
Fator de potência no trecho considerado;
•
sen Ø
Seno do ângulo do fator de potência no trecho considerado;
•
d
Comprimento total do trecho.
Logicamente, com a troca de cabos com bitolas maiores, haverá menor
impedância, e consequentemente menor queda de tensão.
45
Capítulo IV – Queda de Tensão no SED e Métodos de Correção de Tensão
e) Construção de novos alimentadores ou subestações:
Similar a redivisão de circuitos, permitirá um melhor aproveitamento do
carregamento do alimentador.
f) Instalação de Banco de Capacitores:
Os bancos de capacitores quando instalados no SED, causam uma
elevação de tensão ao longo do alimentador, devido à melhoria no fator
de potência dessa rede.
g) Mudança de tap fixo no transformador da subestação:
As maiorias dos transformadores instalados nas subestações de
distribuição possuem tapes fixos, normalmente no lado de alta tensão,
que podem alterar a relação de transformação em +/- 2 tapes de 2,5%,
totalizando uma capacidade de 10%. Porém, devido a esses tapes serem
fixos, torna-se necessário o desligamento do transformador para executar
essa alteração. Esse recurso normalmente é verificado na fase de
planejamento.
h) Instalação de reguladores de tensão:
São normalmente instalados ao longo do alimentador, onde os níveis de
tensão não se encontram nos níveis adequados.
4.4 - CORREÇÃO DE TENSÃO USANDO CAPACITOR SHUNT
A aplicação de capacitores de potência em sistema de distribuição produz a
melhoria do fator de potência e conseqüentemente melhoria da tensão.
Considere o circuito da Figura 4.3, onde:
•
VS
Tensão na fonte;
•
VR
Tensão na barra regulada da subestação;
•
Vq
Queda de tensão no circuito;
•
I
Corrente no circuito;
46
Capítulo IV – Queda de Tensão no SED e Métodos de Correção de Tensão
•
R
Resistência da LD;
•
X
Reatância da LD;
•
IR
Corrente devido à potência ativa;
•
IX
Corrente devido à potência reativa;
•
Ø
Ângulo entre a tensão e a corrente na carga.
Fig. 4.3 Diagrama de um circuito de uma LD.
Considerando a queda de tensão Vq, tem-se:
Vq = IR.R + IX.X
(4.6)
Instalando-se o capacitor C1, em derivação no ponto da carga, conforme
Figura 4.4, tem-se:
Fig. 4.4 Diagrama de um circuito de uma LD com capacitor C1.
O novo valor da queda de tensão será:
Vq = IR.R + IXXL - ICXL
(4.7)
Vq = IR.R + (IX - IC).XL
(4.8)
Com a ligação do capacitor a queda de tensão diminui de “IC.XL”, ou seja, a
tensão foi elevada em Ic XL, se VS permaneceu constante.
Vqa = Ic XL
(4.9)
47
Capítulo IV – Queda de Tensão no SED e Métodos de Correção de Tensão
Então, Vqa seria o acréscimo de tensão devido à instalação do capacitor C1.
Se, nas expressões anteriores, R for a resistência de um condutor de um
circuito trifásico e XL sua reatância, a elevação de tensão em porcentagem de tensão
VR será:
Vqa % =
100 I C X L
VR
(4.10)
O problema para alocação de banco de capacitores é que os alimentadores
das redes de distribuição de grande porte podem possuir milhares de nós elétricos e
dezenas de quilômetros de comprimento.
Suponha o circuito do alimentador de forma uniforme, conforme a Figura 4.5:
(a)
Vmáx
Vn
Máxima
Tensão
Tensão Nominal
Com capacitor
Vmin
Tensão
Sem Capacitor
Tensão
Mínima
Comprimento do Alimentador IA
1.0
(b)
Vmáx
Vn
Máxima
Tensão
Com capacitor
Tensão Nominal
Vmin
Tensão
Sem Capacitor
Tensão
Mínima
Comprimento do Alimentador IA
1.0
(c)
Fig. 4.5 Localização de bancos de capacitores: (a) Localização física, (b) Perfil de tensão com
carregamento pesado e (c) Perfil de tensão com carregamento leve.
48
Capítulo IV – Queda de Tensão no SED e Métodos de Correção de Tensão
Observa-se que para diferentes perfis de carregamento o alimentador
comporta-se de maneira diferente quanto ao perfil de tensão exibido. A instalação de
capacitores fixos, durante períodos de carga pesada, pode inclusive implicar uma
sobretensão em períodos de carga leve. A solução para esse tipo de problema é a
instalação de capacitores chaveados, ou seja, capacitores com estágios discretos de
compensação reativa para serem operados conforme o carregamento do
alimentador. Para a instalação de capacitores chaveados é necessário um estudo
sobre a demanda reativa diária, a partir da qual pode-se determinar o valor dos
estágios fixos e chaveados.
4.5 - CORREÇÃO DE TENSÃO USANDO CAPACITOR SÉRIE
A aplicação de sistemas de compensação série é amplamente utilizada em
sistemas de transmissão. Em um SED, quando se tem linhas longas, a
compensação série pode contribuir para:
•
Aumento da capacidade de transmissão de potência;
•
Controle de tensão auto-regulado, contínuo e instantâneo;
•
Melhoria no fator de potência;
•
Diminuição das perdas das linhas.
Na maioria dos casos a utilização de reguladores ou capacitores Shunt
representa um menor custo em relação a capacitores série, mas nos casos citados a
compensação série passa a ser competitiva.
A idéia da aplicação do capacitor série na distribuição é muito antiga, e visa
compensar, ou até sobrecompensar a parcela da reatância indutiva das linhas. A
sobrecompensação pode ainda proporcionar, se tomados os devidos cuidados,
melhores resultados, pois além de compensar a indutância da linha compensa parte
dos reativos da carga, reduzindo a corrente que circula na linha, minimizando as
perdas e ampliando a faixa de regulação do banco série.
Isto permite que a compensação série seja, em muitos casos, uma
alternativa para atendimento, quando a mesma exigir investimentos para a
regulação de tensão, quando comparada com alternativas convencionais, como
49
Capítulo IV – Queda de Tensão no SED e Métodos de Correção de Tensão
instalação
de
reguladores
de
tensão,
bancos
de
capacitores
shunt,
recondutoramento de linhas, construção de alimentadores, subestações e até ramais
de linhas de transmissão.
Para condições de regime permanente a avaliação dos efeitos da
compensação série é muito fácil e perceptível, bastando analisar um diagrama
fasorial, partindo de dados físicos da linha, dados da carga, incluindo fator de
potência. Mas no caso de regime transitório, como, por exemplo, energização de
linhas, transformadores, e alimentação de cargas oscilantes, pode trazer problemas
de oscilação de tensão para o sistema. Ou seja, a solução que atende o regime
permanente pode não atender ao regime transitório, e vice-versa. Sendo assim, as
soluções devem ser avaliadas de forma separada, e definida aquela que resolva o
problema na condição de regime permanente e não cause problemas na condição
de regime transitório.
Porém o aumento de tensão causado pelo capacitor shunt depende da
reatância da linha, enquanto o aumento de tensão pela compensação série depende
principalmente da potência reativa da carga. Essa é a grande diferença entre eles.
Tanto o capacitor shunt quanto o série, tem o mesmo objetivo: a melhoria da
tensão e redução das perdas, através da compensação de fase.
Convém salientar que a compensação série apesar de ser uma alternativa
viável, tem seu uso limitado, sendo aplicado apenas em casos particulares,
conforme listado anteriormente.
50
Capítulo V - Regulação de Tensão nas SEs do Sistema Elétrico de Distribuição
CAPÍTULO V
REGULAÇÃO DE TENSÃO NAS SUBESTAÇÕES DO SISTEMA
ELÉTRICO DE DISTRIBUIÇÃO
5.1 - INTRODUÇÃO
O nível de tensão em um sistema de distribuição de média tensão, (tensões
de 1kV a 69kV), considerando as subestações e as linhas de distribuição, é
determinado pela tensão na subestação e pelas quedas de tensão nessas linhas,
variando com flutuações nos níveis de consumo, e por flutuações na tensão nas
subestações, oriundas da alimentação do lado da alta tensão (SDAT).
Para se fazer a regulação de tensão em subestações ou em LD´s são
usados os transformadores reguladores com tap sob carga, normalmente
conhecidos como OLTC (On Load Tap Changer), ou comutador sob carga.
A regulação de tensão normalmente é feita através de reguladores de
tensão ou transformadores reguladores instalados no barramento da subestação, ou
através de reguladores de tensão instalados ao longo das linhas de distribuição, que
podem também ser associados ou não a bancos de capacitores na subestação ou
ao longo da linha de distribuição – LD [59].
O uso de reguladores de tensão nos sistemas de distribuição de energia
elétrica teve início a partir dos anos 40 nos países desenvolvidos, principalmente
nos Estados Unidos, em função de sua grande extensão territorial, onde os centros
de consumo estão espalhados por vastas áreas. Por conta disso, hoje se encontram
instalados em vários pontos daquele país, dezenas de milhares de reguladores,
51
Capítulo V - Regulação de Tensão nas SEs do Sistema Elétrico de Distribuição
fornecendo aos pontos de consumo uma regulação de tensão adequada e
conferindo qualidade ao fornecimento de energia.
O Brasil apresenta certa similaridade com os Estados Unidos no que se
refere ao espaço territorial, no qual também se faz necessária a utilização dos
reguladores de tensão. Estes têm grande aceitação por parte das concessionárias,
por razões econômicas, de simplicidade e versatilidade. Além disso, atualmente
existem vários modelos de reguladores de tensão totalmente fabricados no Brasil, o
que elimina os problemas de obtenção de peças de reposição verificados até 1986,
quando tais equipamentos eram total ou parcialmente (comutador sob carga)
importados dos Estados Unidos.
5.2 - REGULADORES DE TENSÃO
Os reguladores de tensão, são normalmente divididos em 2 tipos:
autobooster e autotransformadores de 32 degraus.
5.2.1 - Regulador de Tensão Autobooster
São equipamentos monofásicos, porém mais simples, possuindo 4 tapes de
1,5% a 2,5% cada, totalizando uma capacidade de 6% a 10%, tendo a característica
de não elevar e abaixar a tensão ao mesmo tempo.
Conforme Figura 5.1, o regulador de tensão está configurado como elevador
de tensão, conforme chave na posição R (raise), sendo que diagrama à direita é
uma simplificação do diagrama da esquerda.
L
R
Preventive
autoxfmr
IL
L
L
I2
IL
+
E2
2
+
+
N
IS
N1
+
S
VL
VL
V
S
1
-
I
-
E
1
-
+
VS
IS
+
S
SL
-
-
SL
Fig. 5.1 – Esquemático do regulador Autoboost configurado como elevador de tensão.
52
Capítulo V - Regulação de Tensão nas SEs do Sistema Elétrico de Distribuição
Já na Figura 5.2, o regulador de tensão está configurado como abaixador de
tensão, conforme chave na posição L (lower), sendo que o diagrama à direita é uma
simplificação do diagrama da esquerda.
L
E
2
2
I2
Preventive
autoxfmr
IL
L
L
R
+
+
N
IL
+
1
S
VL
V
L
V
S
-
E
1
-
+
I
-
-
VS
IS
N
1
+
IS
+
S
SL
-
SL
Fig. 5.2 – Esquemático do regulador Autoboost configurado como abaixador de tensão.
Conforme demonstrado nas Figuras 5.1 e 5.2, o regulador autobooster não
possui a capacidade de regulação de elevar e abaixar tensão consecutivamente,
devendo esse ajuste ser feito previamente. Devido a essa característica e ao baixo
custo, são normalmente usados em redes de distribuição rurais (RDR), em área de
baixa densidade de carga, sendo mais usado como elevador de tensão e como
auxiliar do regulador de tensão de 32 degraus. Convém salientar que esses
reguladores de tensão estão em desuso atualmente.
5.2.2 - Regulador de Tensão de 32 Degraus
São normalmente trifásicos, ligados em estrela aterrada, podendo ser
transformadores reguladores (por exemplo: 138/13,8kV +/- 10%), ou reguladores de
tensão (por exemplo: 13,8/13,8kV +/- 10%), dotados de 32 degraus ou tapes, sendo
as tensões de saída mais comumente usadas, variando de 13,8kV a 34,5kV.
O regulador de tensão é um equipamento que mantém um nível de tensão
pré-determinado em uma linha de distribuição, apesar das variações de carga,
sendo basicamente um autotransformador com comutação automática de tap,
através de um comutador sob carga. Essa variação normalmente é dividida em até
32 tapes (16 tapes para abaixar e 16 tapes para elevar a tensão), conseguindo com
53
Capítulo V - Regulação de Tensão nas SEs do Sistema Elétrico de Distribuição
isto uma variação de +/-0,65% em cada tap, totalizando uma variação na tensão em
+/-10% da tensão de alimentação.
O regulador de tensão normalmente possui um relé regulador de tensão, que
percebe o exato momento para aumentar ou diminuir a tensão de alimentação. Para
isso a imagem da tensão de alimentação, medida através de um transformador de
potencial é comparada com um nível de tensão já pré-ajustada no relé sensor de
tensão. Estando a tensão fora dos parâmetros pré-definidos, é iniciada a
temporização (tempo morto). Após esse tempo, é enviado um sinal para
acionamento da chave de comutação de tensão, conforme a Figura a seguir:
Amostra de
tensão
Relé de
controle de
tensão
Temporização
Comando
de TAP
Fig. 5.3 – Esquema simplificado da regulação de tensão.
5.2.2.1 - Funcionamento do Comutador Sob Carga (OLTC) de 32 Degraus
O regulador de tensão é basicamente um autotransformador, podendo
funcionar como elevador de tensão, conforme Figura abaixo:
Fig.5.4 – Funcionamento do regulador de tensão como elevador.
54
Capítulo V - Regulação de Tensão nas SEs do Sistema Elétrico de Distribuição
Ou como abaixador de tensão, conforme Figura abaixo:
Fig.5.5 – Funcionamento do regulador de tensão como abaixador.
A polaridade das bobinas é que determina a ligação elétrica para o
autotransformador funcionar como abaixador ou elevador. Adicionando tapes à
bobina “C”, passa-se a ter degraus de tensão, conforme mostrado abaixo:
Fig.5.6 – Funcionamento do regulador de tensão com tapes.
Conforme a Figura 5.6, se a carga estiver ligada no tap 1, e se for preciso
alterar sua ligação para o tap 2, o circuito do regulador de tensão seria interrompido
durante esse período.
Para que o comutador possa trabalhar sob carga, é adicionado um reator ao
circuito, conforme a Figura 5.7. Enquanto uma das extremidades do reator estiver no
tap 3, a alimentação da carga se faz através da outra extremidade do reator (tap 4).
Fig.5.7 – Funcionamento do regulador de tensão usando reator.
55
Capítulo V - Regulação de Tensão nas SEs do Sistema Elétrico de Distribuição
A tensão aplicada aos terminais do reator é Vd, mas a tensão na carga
aumentará ou diminuirá na proporção de Vd/2, devido ao center tap, o que explica o
reator ser um divisor de tensão.
O reator tem as funções de divisor de tensão, de não permitir a interrupção
do circuito na comutação e limitar a corrente circulante.
Fig.5.8 – Reator com a função de divisor de tensão.
Conforme a Figura 5.8, ao ser aplicada a tensão Vd sobre os terminais do
reator, circula por ele uma corrente IC. Esta corrente deve ser limitada para que não
ocorra o desgaste excessivo dos contatos do comutador e a vida útil dos mesmos
seja preservada. A determinação do limite da corrente circulante no reator parte do
princípio da extinção de arco em um circuito conforme mostrado na Figura. 5.9:
Fig.5.9 – Reator com a função de não interrupção do circuito.
A alternância da corrente circulante de zero (circuito A) para o valor 50% IL
(circuito B) durante as comutações do regulador causaria um elevado desgaste dos
contatos do comutador, ou seja, a taxa de variação de corrente de zero para 50%
seria elevada, o que causaria o aumento da tensão de arco e consequentemente da
potência de arco.
Para resolver este problema e manter a corrente circulante no reator
constante em 50% IL independentemente da posição do comutador, adiciona-se a
bobina de equalização ao circuito do reator conforme se segue:
56
Capítulo V - Regulação de Tensão nas SEs do Sistema Elétrico de Distribuição
Fig.5.10 – Bobina de equalização para limitação da corrente circulante.
A bobina de equalização localiza-se na parte ativa do transformador principal
do regulador, o que possibilita que esta bobina seja um elemento ativo, ou seja, uma
fonte de tensão, no circuito do reator, quando o mesmo estiver na condição do
circuito “A”. Sendo assim, analisando o circuito a seguir, percebe-se que a corrente
circulante nesta condição muda de sentido, mas se mantém em Módulo.
Fig.5.11 – Corrente circulante na bobina de equalização.
5.3 - RELÉ DE CONTROLE DE TENSÃO
O controle de tensão em barras de média tensão de subestações é realizado
através de relés de controle eletrônicos ou digitais, número de função 90 (ANSI),
comumente designados relés 90 ou relé regulador de tensão - AVR (Automatic
Voltage Relay [60]).
Na Figura. 5.12 é mostrado o funcionamento básico do relé regulador de
tensão:
57
Capítulo V - Regulação de Tensão nas SEs do Sistema Elétrico de Distribuição
Fig. 5.12 – Funcionamento do relé regulador de tensão – relé 90.
Basicamente o relé 90 tem o ajuste de tensão de referência – Vref, e o
ajuste de sensibilidade – bandwidth (banda morta), onde o relé inicia a atuação
quando a diferença entre o ajuste de Vref e o bandwidth ocorra, sendo iniciada a
contagem de tempo através da temporização. Caso a tensão não se normalize
durante esse período, será enviado pelo relé 90 um comando de comutação para o
regulador de tensão, para que ocorra a normalização da tensão.
5.3.1 - Componentes de um Relé de Controle de Tensão
Os relés 90 possuem vários componentes básicos, sendo os principais:
tensão de referência - Vref, bandwidth (banda morta ), temporização (tempo morto),
compensação de queda de linha (LDC), funções de bloqueios, e algumas funções
adicionais.
5.3.1.1- Tensão de Referência (Vref)
Esta função tem como finalidade ajustar o nível de tensão da linha, de modo
que permaneça a mais estável possível.
O sensor de tensão do relé 90 tem a finalidade de comparar a tensão
fornecida pelo transformador de potencial - TP com a tensão de referência ajustada
neste parâmetro, de forma a manter a tensão na linha regulada. Havendo variação
na tensão medida, o sensor do relé 90 detectará imediatamente a diferença entre o
valor ajustado e o valor medido, sensibilizando o relé 90.
58
Capítulo V - Regulação de Tensão nas SEs do Sistema Elétrico de Distribuição
5.3.1.2 - Banda Morta (bandwidth)
Esse ajuste determina a faixa de precisão, a partir da tensão de referência,
dentro da qual o regulador considera que não há necessidade de comutação,
estabelecendo assim a variação máxima da tensão na carga.
Como por exemplo, considerando:
Vref = 117 V
Banda Morta = 1 V ou (0,833%)
Considerando
Banda = Vref +/- Banda Morta
Tem-se:
Banda máxima = 118 V
Banda mínima = 116 V
Considerando que a relação de transformação do Transformador de
potencial - Rtp, seja de 120, tem-se:
Vref = 117 x 120 = 14040 V
Banda morta =1 x 120 = 120 V
Banda máxima = 118 x 120 = 14160 V
Banda mínima = 116 x 120 = 13920 V
A comutação será realizada quando a tensão ultrapassar os limites da banda
morta. Isso quer dizer que na faixa de (13920 a 14160 V), não haverá comutação,
Ou seja, o controle do relé 90 não emite nenhum comando de elevar ou abaixar para
o comutador.
59
Capítulo V - Regulação de Tensão nas SEs do Sistema Elétrico de Distribuição
5.3.1.3 - Tempo Morto (temporização)
O recurso de tempo morto é utilizado para evitar operações desnecessárias
do comutador sob carga durante oscilações momentâneas de tensão da linha. Neste
parâmetro pode-se selecionar entre dois tipos de temporização:
a) Linear:
O tempo para se iniciar uma operação do comutador sob carga (após a
detecção de um desvio de tensão maior que a banda morta) é sempre
igual ao valor ajustado no parâmetro de banda morta.
b) Inversa:
O tempo para se iniciar uma operação do comutador sob carga varia de
forma inversamente proporcional ao desvio da tensão medida em relação
à tensão nominal (quanto maior a diferença entre a tensão medida e a
tensão de referência, menor será o tempo para operação do comutador
sob carga). É utilizada para uma regulação de tensão mais rápida em caso
de grandes desvios da tensão.
Existe também o recurso chamado de tempo subsequente, onde o tempo
para a primeira operação do comutador sob carga será ajustado no parâmetro de
banda morta. Caso uma única operação do comutador não seja suficiente para que
a tensão retorne aos limites ajustados, o relé 90 utilizará o ajuste de tempo
subsequente como intervalo para os demais comandos para o comutador sob carga,
sendo esse tempo normalmente inferior aos ajustes do tempo morto, permitindo uma
normalização mais rápida da tensão. Esse recurso é útil em caso de grandes
oscilações de tensão.
5.3.1.4 - Compensação de Queda de Linha (LDC)
O compensador de queda de tensão de linha incorporado – LDC (line-drop
compensation) permite reproduzir em ampla escala a queda de tensão em uma linha
conectada ao transformador regulador. Com ele pode-se manter constante a tensão
60
Capítulo V - Regulação de Tensão nas SEs do Sistema Elétrico de Distribuição
no ponto de consumo independentemente da carga (através dos parâmetros R e X
do circuito). Essa função será discutida e demonstrada com mais detalhes no Item
5.5.
5.3.1.5 - Bloqueios
São ajustes em que a atuação do relé 90, em situações anormais do sistema
elétrico da distribuição é bloqueada, sendo:
a) Subtensão:
Usado para o caso da tensão do SED ser interrompida ou reduzida
consideravelmente. Normalmente é ajustado para 80% da tensão nominal
do regulador de tensão.
b) Sobretensão:
Usado para o caso da tensão do SED ser elevada consideravelmente, no
caso de desligamentos de grandes blocos de cargas, ou blecautes.
Normalmente é ajustado para 120% da tensão nominal do regulador de
tensão.
c) Sobrecorrente:
Esse recurso é usado para prevenir o comutador de operar durante uma
situação de sobrecarga no transformador. Normalmente é ajustado para
150% da corrente nominal do transformador.
5.3.1.6 - Funções Adicionais
São funcionais acessórias que atualmente estão sendo incorporadas nos
relés 90:
a) Faixa Horária:
Podem ser programados grupos de regulação através da programação de
uma faixa horária ou ajuste para cada grupo, com hora, minuto e dia da
61
Capítulo V - Regulação de Tensão nas SEs do Sistema Elétrico de Distribuição
semana de início e término, podendo haver inclusive ajustes diferentes
para cada grupo, como por exemplo: LDC, tensão constante, etc.
b) Fluxo inverso:
Os reguladores de tensão são geralmente instalados em circuitos radiais.
Entretanto, alguns circuitos têm a capacidade de interligações onde
poderá ocorrer inversão do fluxo de carga. Atualmente tem havido também
um grande aumento de sistemas com co-geração interligados às LD´s.
Devido a essa situação, o regulador poderá ter um comportamento
inadequado, causando sobretensões ou subtensões no circuito. Devido a
esses fatos, atualmente os relés 90 cada vez mais estão sendo providos
desses recursos, como por exemplo, conforme listado no manual do relé
TBR1000 da Toshiba [61]:
•
Modo direto ativado;
•
Modo inverso ativado;
•
Modo inverso inibido;
•
Modo Bi-direcional;
•
Modo inverso bloqueado no TAP zero;
•
Modo de Co-geração.
c) Funções de programação de lógicas e telecontrole:
Atualmente, a grande maioria dos relés 90 já possuem o recurso de
telecontrole e programação de lógicas, permitindo com isso um controle
praticamente online desses reguladores. Esse recurso será muito
importante no futuro, principalmente com a intensificação da tecnologia
“smart grid”.
5.4 - METODOLOGIAS DE CONTROLE AUTOMÁTICO DE TENSÃO
Pode-se citar as metodologias de controle automático de tensão (CAT),
através de características de regulação (grupos) e através das técnicas de
configuração dos relés de controle de tensão.
62
Capítulo V - Regulação de Tensão nas SEs do Sistema Elétrico de Distribuição
5.4.1 - Grupos de Regulação de Tensão
As metodologias mais comumente usadas nos relés de controle de tensão
(relé 90) podem ser divididas em 4 grupos.
5.4.1.1 - Regulação Dinâmica
Os valores da tensão de referência máxima - Vmax e Mínima - Vmin são
variáveis, de acordo com parâmetros do circuito (corrente, potência, fator de
potência), ou seja, não existem valores da tensão de referência - Vref pré-definidos.
Nesse caso a tensão na subestação varia, para que a tensão no consumidor seja a
mais estável possível.
Ex. CAT com reta de carga e com LDC.
5.4.1.2 - Regulação Estática
Os valores de Vmax e Vmin não se alteram independentemente da variação
de outros parâmetros (corrente, fator de potência, faixas de carga, horários, etc).
Porém, a tensão no consumidor varia de acordo com a carga e a queda de tensão
no circuito.
Ex. CAT com tensão definida.
5.4.1.3.- Regulação por Faixas
Os valores de Vmax e Vmin são programados para cada grupo de ajustes
pré-definidos por horários ou por faixas de carga.
Ex. CAT por tempo definido.
5.4.1.4 - Regulação por sistemas inteligentes
Existem atualmente alguns estudos propondo a metodologia de regulação
de tensão usando sistemas inteligentes, principalmente através da Lógica Fuzzy,
devido à existência de equipamentos microprocessados cada vez mais potentes e
63
Capítulo V - Regulação de Tensão nas SEs do Sistema Elétrico de Distribuição
também à tendência atual de existência cada vez mais de co-geração e também um
novo conceito de redes inteligentes, chamado de “Smart Grid”, conforme descrito no
trabalho [53] e [54].
5.4.2 - Técnicas de Regulação de Tensão
Apesar de na literatura técnica muito se falar em regulação de tensão
através da LDC, esta técnica não é a mais adequada para várias situações,
existindo outras soluções implementadas pelas concessionárias. Que são citadas
abaixo:
5.4.2.1 - CAT com Tempo Definido
Nesse caso são atribuídos ajustes do relé 90, conforme ciclos diários de
carga, sendo: Carga Leve, Média ou Pesada, ou através de ciclos semanais,
conforme dias de maior ou menor carregamento (finais de semana). Essa técnica é
usada em alguns casos, onde devido à associação de linhas longas com cargas
industriais e residências, podem ocorrer baixas tensões nos períodos em que o
segmento industrial estiver operando em carga leve, mas o segmento residencial em
carga pesada, como no horário de ponta dos domingos, conforme utilizada pela
concessionária Elektro, através do artigo [52].
5.4.2.2 - CAT com Reta de Carga
Nesse caso é usado um cálculo de tensão x corrente, onde tanto maior será
a tensão de referência quanto maior for a corrente na carga.
Esse é um recurso dinâmico, que, semelhante ao LDC, irá compensar a
queda de tensão no circuito, pois a Vref será proporcional à carga instantânea do
circuito. Considerando que com o aumento da corrente, haverá o aumento da queda
de tensão do circuito, o aumento de tensão irá compensar a queda de tensão do
circuito. Porém, diferentemente do LDC, essa regulação não leva em consideração
as resistências R e reatâncias X do circuito. Devido a esse fato a tensão no centro
de carga, não será tão estável conforme o LDC. Essa técnica de regulação de
64
Capítulo V - Regulação de Tensão nas SEs do Sistema Elétrico de Distribuição
tensão poderá ser usada quando for difícil a implementação do LDC em algum
circuito, devido principalmente às grandes variações diárias do fator de potência
nesses circuitos. Essa metodologia é citada em [50], sendo que o trabalho [51] cita
um exemplo de implementação dessa técnica na concessionária Cemig, onde os
cálculos são feitos da seguinte maneira:
VREF
IINST IMIN . VMAX VMIN
IMAX IMIN
VMIN
(5.1)
Onde:
•
VREF
Tensão de referência;
•
VMIN
Tensão mínima de VREF;
•
VMAX
Tensão máxima de VREF;
•
IMAX
Corrente máxima do circuito;
•
IMIN
Corrente mínima do circuito;
•
IINST
Corrente instantânea do circuito.
Conforme o gráfico da Figura. 5.13, pode se notar que a tensão de
referência será proporcional ao aumento da corrente IINST, sendo limitado pelas
tensões VMAX e VMIM.
Fig. 5.13 – Esquemático da reta de carga
65
Capítulo V - Regulação de Tensão nas SEs do Sistema Elétrico de Distribuição
No capítulo VI, esse método será usado no estudo de caso como exemplo
de regulação de tensão.
5.4.2.3 - CAT com Tensão Definida
Nesse caso é definido um valor de referência máximo (Vmax) e o valor
mínimo (Vmin), onde a tensão na subestação estará sempre em uma faixa
independentemente da corrente na carga ou do fator de potência.
Quando se possui um circuito, onde o comportamento da carga é mais ou
menos previsível, principalmente quando se instala banco de capacitores ou
reguladores de tensão, em trechos com problemas na rede, pode-se optar por essa
metodologia, principalmente com a vantagem de se conseguir uma tensão próxima à
faixa adequada superior (1,05.Vref), sem entretanto entrar na faixa precária ou
crítica. Com isso é possível uma tensão de fornecimento mais elevada, conseguindo
um incremento na venda de energia.
Nessa técnica, diferentemente da LDC, a tensão no consumidor não fica
estável, ficando normalmente maior em regime de carga leve, e menor em regime de
carga pesada.
No capítulo VI, esse método será usado no estudo de caso como exemplo
de regulação de tensão.
5.4.2.4 - CAT com LDC
Nesse caso, o ajuste de tensão é feito através de um compensador de
queda na linha, através de parâmetros de resistência e reatância da linha. Este é um
componente que simula a impedância da linha desde o regulador de tensão até o
ponto onde se deseja que a tensão seja constante.
Essa técnica é a mais difundida mundialmente, sendo um recurso quase
obrigatório nos relés de controle de tensão, constando de todos os relés de controle
de tensão usados atualmente [61], [62], [63], [64]. Essa técnica é usada desde os
primórdios do advento dos reguladores de tensão, principalmente a partir da década
de 50, sendo citado como técnica bastante difundida já no livro Distribution Systems,
Electric Utility Engineering Reference Book, publicado em 1965 [65].
66
Capítulo V - Regulação de Tensão nas SEs do Sistema Elétrico de Distribuição
5.5 - FUNCIONAMENTO DA COMPENSAÇÃO DE QUEDA DE LINHA (LDC)
O LDC (line drop compensation), ou compensação de queda na linha é um
recurso do relé 90 que permite que a tensão na carga (e não a tensão na saída do
transformador), seja mantida dentro dos limites ajustados, levando em consideração
a queda de tensão entre o transformador e a carga, devido à resistência e à
reatância do circuito. O relé 90 efetua o cálculo da tensão na carga utilizando as
medições de tensão na saída do transformador e da corrente de carga, além dos
parâmetros da linha programados.
O secundário do transformador de potencial - TP, que fornece a amostra da
tensão do lado de carga, é colocado em série com um circuito cujas resistências e
reatâncias são imagens da resistência e reatâncias da linha. Quando o regulador é
submetido à carga, circula no transformador de corrente - TC uma corrente
proporcional ao carregamento e, consequentemente aparece uma queda de tensão
em R e X, proporcional à queda de tensão da linha.
Neste caso, a tensão no relé 90 é a tensão do secundário do TP menos a
queda provocada pelo compensador. Logo o relé 90 comandará o regulador de
maneira à restabelecer o equilíbrio entre a tensão no relé 90 e a tensão de saída do
regulador. Assim, esta tensão de saída é maior que aquela considerada para o
sistema, porém, devido à queda de tensão na linha, a tensão na carga ficará
constante, ou seja, a compensação de queda na linha, mantém a tensão constante
no ponto de regulação (VCMP), também chamado de centro de carga, como mostrado
na Figura. 5.14 [63].
67
Capítulo V - Re
egulação de
d Tensão nas SEs do
d Sistema
a Elétrico d
de Distribuição
Fig. 5.14 – diagrama
d
esq
quemático do LDC.
Norma
almente sã
ão utilizado
os em siste
emas onde
e a queda d
de tensão na linha é
maiss significa
ativa, requ
uerendo, portanto
p
melhor
m
prrecisão da
a compen
nsação. É
nece
essário o conhecime
c
nto dos do
ois parâme
etros da lin
nha, resistê
ência (R) e reatância
a
(X).
Fig. 5.15 – Diagrama fasorial do LDC.
L
68
8
Capítulo V - Regulação de Tensão nas SEs do Sistema Elétrico de Distribuição
Através dos ajustes do LDC pode-se manter a tensão constante em uma
carga no final da linha, ou no ponto médio da LD, através do incremento de tensão
RL.IC e XL IC, conforme a Figura. 5.15.
A maneira para ajustar o LDC é utilizar o método de centro de carga,
considerando que a LD tenha uma carga no seu final ou que existam cargas
distribuídas uniformemente ao longo da LD, com uma impedância de linha também
uniforme. Existe também um terceiro método chamado de Z equivalente, quando
não é possível determinar a resistência (R) e reatância (X), devido à característica
das linhas, principalmente em subestações que alimentam vários circuitos ao mesmo
tempo, e as cargas não estejam uniformemente distribuídas.
5.5.1 - LDC para Cargas no Final da Linha
A metodologia usada para ajustar o LDC é a chamada de centro de carga,
onde se considera que a LD tenha os parâmetros de R e X e uma carga instalada no
final dessa LD.
Os parâmetros R e X podem ser encontrados através da seguinte
expressão:
R LDC
INOM
XLDC
INOM
RTP
RTP
. R L . DL
(5.2)
. XL . DL
(5.3)
Onde:
•
RLDC
Ajuste do relé 90 para compensação resistiva em V;
•
XLDC
Ajuste do relé 90 para compensação reativa em V;
•
INOM
Corrente nominal do circuito;
•
ICARGA
Corrente nominal da carga;
•
RTP
Relação de transformação do transformador de potencial;
•
RL
Resistência elétrica do condutor em Ω/km;
•
XL
Reatância indutiva em Ω/km;
•
DL
Comprimento total da LD em km
69
Capítulo V - Re
egulação de
d Tensão nas SEs do
d Sistema
a Elétrico d
de Distribuição
Os valores de RL e XL pode
em ser enc
contrados na Tabela 5.1:
Ta
ab. 5.1 – Ressistências e Reatâncias em
e Ω/km.
C
Caracterí
ísticas do
os Condu
utores
5.5.1.1 - Exem
mplo de Cálculo
C
d LDC pa
de
ara Carga
as no Final da Linha
Calcular o ajuste
e de LDC, conforme
c
circuito
c
aba
aixo:
F 5.16 – Circuito com carga
Fig.
c
no fina
al da LD.
Consid
derando:
•
INOM
= 80 A
•
RTP
= 115
•
DL
= 10 km
70
0
Capítulo V - Regulação de Tensão nas SEs do Sistema Elétrico de Distribuição
•
Condutor
•
e.e (espaçamento equivalente entre condutores) = 1,35 m
= 1/0 AWG - CAA
De acordo com Tabela 5.1, tem-se:
•
RL
= 0,6500 Ω/km
•
XL
= 0,5188 Ω/km
Conforme equações 5.2 e 5.3 tem-se:
. 0,65 . 10
. 0,5188 . 10
4,52 V
3,60 V
Para a equação (5.2) e (5.3) pode-se usar a corrente nominal do
transformador, ou a corrente nominal da carga. Quando se usa a corrente nominal
do transformador tem-se um ajuste mais duradouro do LDC, pois o transformador
normalmente não irá trabalhar com correntes acima da nominal. Porém, se for usada
a INOM do circuito previsto para certo período (normalmente 1 ano), o ajuste do LDC
será mais fidedigno. Porém, terá o inconveniente de serem necessários reajustes de
acordo com esse período. Essa condição será bastante significativa, principalmente
quando a INOM da carga for inferior a 50% da INOM do transformador, reduzindo-se a
faixa de regulação de tensão, e com isso os benefícios da LDC.
Os valores de tensão para os ciclos de carga são calculados através das
seguintes equações:
∆
.
(5.4)
∆
.
(5.5)
∆
√∆
∆
VCARGA = VNOM + ∆
(5.6)
(5.7)
71
Capítulo V - Regulação de Tensão nas SEs do Sistema Elétrico de Distribuição
Onde:
•
∆VR
Queda de tensão devido à resistência R;
•
∆VX
Queda de tensão devido à reatância X;
•
∆V
Queda de tensão total.
a) Carga Pesada:
Considerando
•
ICARGA = 80 A
•
VNOM = 13800 V
Tem-se conforme equações 5.4, 5.5 e 5.6:
∆
80 . 4,52 = 362 V
∆
80 . 3,60 = 288 V
∆
√362
288 = 462 V
Para a condição de carga pesada, haverá um incremento de ∆ na SE, para
se ter VNOM na carga, conforme equação 5.7.
Então para a condição de carga pesada, tem-se:
VCARGA = 13800 + 462 = 14262 V
b) Carga Média:
Considerando
•
ICARGA = 50 A
•
VNOM = 13800 V
Tem-se conforme equações 5.4, 5.5 e 5.6:
∆
50 . 4,52 = 226 V
∆
50 . 3,60 = 180 V
∆
√226
180 = 289 V
72
Capítulo V - Regulação de Tensão nas SEs do Sistema Elétrico de Distribuição
Então, conforme a equação 5.7, tem-se para a condição de carga média:
VCARGA = 13800 + 289 = 14089 V
c) Carga Leve:
Considerando
•
ICARGA = 20 A
•
VNOM = 13800 V
Tem-se conforme equações 5.4, 5.5 e 5.6:
∆
20 . 4,52 = 90 V
∆
20 . 3,60 = 72 V
∆
√90
72 = 115 V
Então, conforme equação 5.7, tem-se para a condição de carga leve:
VCARGA = 13800 + 115 = 13915 V
Na Figura. 5.17, será mostrado o resumo dos ajustes:
Fig. 5.17 – Resumo das tensões para carga no final da LD
73
Capítulo V - Regulação de Tensão nas SEs do Sistema Elétrico de Distribuição
5.5.2 - LDC para Cargas Uniformemente Distribuídas
Em um circuito com carga uniformemente distribuída pode-se manter a
tensão constante no meio do circuito, se for usada a regra dos 3/8 [66], pois 3/4 da
quedas de tensão será na primeira metade do circuito e 1/2 no final.
Então tem-se o fator:
.
A regra dos 3/8 diz que a queda de tensão no final do circuito será igual à
metade, caso se considere toda a carga como sendo instalada no final do circuito.
Para ajustar o LDC deve-se considerar o somatório de toda a carga como se
estivesse instalada no final do circuito. Para calcular os ajustes para o centro de
carga no meio do circuito, deve-se considerar R e X como sendo 3/8 desse valor, e
se quisermos ajustar o centro de carga para o final do circuito deve-se considerar R
e X como sendo 1/2.
Logicamente, que se for ajustado a LDC para compensar a tensão da carga
instalada no final do circuito, pode-se ter sobretensões principalmente no início do
circuito. Por isso essa condição não é muito usual. Normalmente os ajustes são
feitos considerando o centro de carga no meio do circuito.
5.5.2.1 - Exemplo de Cálculo de LDC para Cargas Uniformemente
Distribuídas
Calcular o ajuste de LDC, para o mesmo circuito da Figura. 5.16, porém com
as cargas uniformemente distribuídas, conforme mostrado abaixo:
Fig. 5.18 – Circuito com carga uniformemente distribuída na LD.
74
Capítulo V - Regulação de Tensão nas SEs do Sistema Elétrico de Distribuição
Considerando:
•
INOM
= 80 A
•
RTP
= 115
•
DL
= 10 km
•
Condutor
= 1/0 AWG - CAA
•
e.e (espaçamento equivalente entre condutores) = 1,35 m
De acordo com a Tabela 5.1, tem-se:
•
RL
= 0,6500 Ω/km
•
XL
= 0,5188 Ω/km
Conforme equações 5.2 e 5.3 e considerando a regra dos 3/8, tem-se:
. 0,65 . 10 .
. 0,5188 . 10 .
1,69 V
1,35 V
a) Carga Pesada:
Considerando
•
ICARGA = 80 A
•
VNOM = 13800 V
Tem-se conforme as equações 5.4, 5.5 e 5.6:
∆
80 . 1,69= 135 V
∆
80 . 1,35 = 108 V
∆
√135
108 = 173 V
Então, conforme a equação 5.7, tem-se para a condição de carga pesada:
VCARGA = 13800 + 173 = 13973 V
75
Capítulo V - Regulação de Tensão nas SEs do Sistema Elétrico de Distribuição
b) Carga Média:
Considerando
•
ICARGA = 50 A
•
VNOM = 13800 V
Tem-se conforme equações 5.4, 5.5 e 5.6:
∆
50 . 1,69 = 85 V
∆
50 . 1,35 = 68 V
∆
180 = 109 V
√226
Então, conforme a equação 5.7, tem-se para a condição de carga média:
VCARGA = 13800 + 109 = 13909 V
c) Carga Leve:
Considerando
•
ICARGA = 20 A
•
VNOM = 13800 V
Tem-se conforme as equações 5.4, 5.5 e 5.6:
∆
20 . 1,69 = 34 V
∆
20 . 1,35 = 27 V
∆
√34
27 = 43 V
Então, conforme a equação 5.7, tem-se para a condição de carga leve:
VCARGA = 13800 + 43 = 13843 V
Para a carga instalada no final do circuito, pode-se considerar que haverá
1/2 das quedas considerando o somatório das cargas no final do circuito menos a
compensação ajustada para o meio do circuito.
76
Capítulo V - Regulação de Tensão nas SEs do Sistema Elétrico de Distribuição
a) Carga Pesada:
173
58
VCARGA = 13800 -58 = 13742 V
b) Carga Média:
109
36
VCARGA = 13800 -36 = 13764 V
c) Carga Leve:
43
15
VCARGA = 13800 -15 = 13785 V
Na Figura. 5.19, mostra-se o resumo dos ajustes:
Fig. 5.19 – Resumo das tensões para cargas uniformemente distribuídas na LD.
77
Capítulo V - Regulação de Tensão nas SEs do Sistema Elétrico de Distribuição
5.5.3 - LDC para Cargas não Uniformemente Distribuídas
Para esses casos podem ser usados 2 metodologias:
•
Alimentador com derivações;
•
Z equivalente.
5.5.3.1 - Alimentador com Derivações
Esse método é usado para circuitos com poucas derivações, porém não é
muito usual para ser usado em SE´s com vários alimentadores. Esse método é
derivado do método usado para cargas instaladas no final da linha, podendo ser
usado para cálculo da LDC para o final da linha, ou através do uso da regra dos 3/8
para cargas instaladas ao longo da LD, conforme descrito nos itens 5.1 e 5.2 deste
capítulo.
Os parâmetros R e X podem ser encontrados através da seguinte
expressão:
R LDC
INOM
XLDC
INOM
RTP
RTP
.∑
IT .RT .DT
.∑
IT .XT .DT
INOM
INOM
(5.8)
(5.9)
Onde:
•
RLDC
Ajuste do relé 90 para compensação resistiva em V;
•
XLDC
Ajuste do relé 90 para compensação reativa em V;
•
INOM
Corrente nominal do circuito;
•
IT
Corrente do trecho circuito;
•
RTP
Relação de transformação do transformador de potencial;
•
RT
Resistência elétrica trecho do condutor em Ω/km;
•
XT
Reatância indutiva de trecho em Ω/km;
•
DT
Comprimento do trecho da LD em km.
78
Capítulo V - Regulação de Tensão nas SEs do Sistema Elétrico de Distribuição
Convém salientar que este método, quando aplicado para o centro de carga
no final da linha, pode acarretar sobretensões no início do circuito. E quando se usa
a regra dos 3/8, o ponto de regulação não será necessariamente localizado no meio
do circuito, sendo dependente da localização destas cargas desse circuito, porém o
risco de sobretensões no início do circuito será minimizado. Para estes casos
convêm utilizar o limite de compensação para a LDC.
Essa regra pode ter um bom desempenho, principalmente nos reguladores
de tensão instalados ao longo das LD´s.
5.5.3.2 - Z equivalente
Esse método é usado quando os parâmetros R e X não são possíveis de ser
calculados, principalmente devido ao fato dos reguladores de tensão instalados em
subestações alimentarem várias LD´s ao mesmo tempo, e que as cargas não serem
uniformemente distribuídas. Nesse caso é usado o cálculo chamado de Z
equivalente, que é calculada, conforme mostrado a seguir:
(5.10)
. cos
(5.11)
. sin
(5.12)
MAX
.
(5.13)
MAX
.
(5.14)
Onde:
•
θ
Ângulo do fator de potência do circuito;
•
VCP
Tensão de carga pesada;
•
I
Corrente carga pesada;
•
VNOM
Tensão nominal;
•
IMAX
Corrente máxima do circuito;
•
VREF
Tensão de referência;
•
RTP
Relação de transformação do TP.
CP
79
Capítulo V - Regulação de Tensão nas SEs do Sistema Elétrico de Distribuição
Esse método é um método prático, sendo o mais usado pelas
concessionárias para uso principalmente em subestações.
No Capítulo VI, esse método será usado no estudo de caso como exemplo
de regulação de tensão.
5.5.4 - Limites de compensação para o LDC
Quando da operação da compensação de queda na linha, o relé 90 provoca
uma elevação da tensão na saída do transformador proporcional à corrente de
carga. Com o objetivo de se evitar extrapolações de tensão e de manter a tensão na
subestação dentro dos limites conforme Módulo 8 do PRODIST poderá ser
configurado um limite de compensação, considerando inclusive a banda morta do
relé 90, conforme exemplo a seguir:
VMINLDC = VMIN505 + BM
(5.15)
VMAXLDC = VMAX505 - BM
(5.16)
∆VMAX = VMAXLDC - VMINLDC
(5.17)
Onde:
•
VMINLDC
•
VNOM
Tensão Nominal
•
BM
Banda Morta
•
VMAXLDC
Tensão limite superior do LDC
•
VMAX505
Tensão limite superior de compensação do LDC
•
VMIN505
Tensão limite inferior de compensação do LDC
•
∆VMAX
Variação máxima de tensão do LDC
‘
Tensão limite Inferior do LDC
Considerando, como exemplo:
•
VMIN505 = 13800 V
•
VMAX505 = 14440 V
•
BM = +/-120 V (0,833%)
Tem-se , conforme as equações 5.15 e 5.16, os valores limites:
80
Capítulo V - Regulação de Tensão nas SEs do Sistema Elétrico de Distribuição
VMINLDC =13800 + 120 = 13920 V
VMAXLDC =14440 - 120 = 14320 V
Então, conforme a equação 5.17, resulta:
∆VMAX = 14320 – 13920 = 400 V
Na equação (5.17) há um limite máximo de regulação de tensão de 400 V,
que considerando a banda morta - BM, poderá chegar até o limite máximo de 640 V,
que é basicamente a tolerância de 5% compreendida entre a tensão nominal a
tensão precária superior, conforme o Módulo 8 do PRODIST.
Convém salientar que teoricamente, de acordo com o Módulo 8 do
PRODIST, para uma tensão nominal superior a 1 kV e inferior a 69 kV, poder-se-ia
usar uma faixa de regulação de tensão total de 12% para a faixa de tensão precária
(conforme a Tabela 3.1), sendo:
VMAXLDC = 1,05 VNOM
VMINLDC = 0,93 VNOM
Com isso, poderia se conseguir uma melhor regulação no centro de carga.
Porém, essa possibilidade na prática não é muito usual, pois corre-se o risco de
ocorrer transgressão na faixa de mínima tensão precária, principalmente nos
consumidores instalados no final do circuito. Normalmente são usados os valores de
até 1,05 VNOM considerando VMAXLDC acrescido da banda morta para o valor superior
e VMINLDC até 1,0 VNOM para o valor inferior, devido à queda de tensão na LD.
81
Capítulo VI – Estudo de Caso
CAPÍTULO VI
ESTUDO DE CASO
6.1 - INTRODUÇÃO
Nesse capítulo foi feito o estudo de caso onde foram analisadas 3
metodologias de regulação de tensão, considerando um circuito padrão, com cargas
tipicamente residenciais, podendo inclusive, alguns alimentadores possuírem
também cargas rurais ou pequenas sedes municipais distantes da SE
No exemplo em questão foi utilizada a subestação de Pouso Alegre 1 da
CEMIG.D. A referida SE possui 8 alimentadores supridos por 2 transformadores
reguladores de 25 MVA de 138/13,8 kV, sendo assim constituída
•
Trafo T7 – 8F4, 9F4, 10F4 e 11F4;
•
Trafo T5 – 12F4, 13F4, 15F4 e 16F4.
No estudo em questão, foi analisada a tensão ao longo do alimentador 13F4
da subestação de Pouso Alegre 1, doravante chamado de PSAU13F4.
A tensão dos alimentadores relativos ao Trafo T5 é regulada através do relé
de controle de tensão do Trafo T5, doravante chamado de relé 5T90, conforme
esquemático na Figura 6.1:
82
Capítulo VI – Estudo de Caso
Fig.6.1 - Configuração Trafo T5 da SE Pouso Alegre 1.
6.2 - CARACTERÍSTICAS DO CIRCUITO
O alimentador PSAU13F4 foi escolhido, devido ao fato de possuir
características de alimentar cargas rurais e urbanas, e de não possuir nenhum
regulador de tensão ao longo de seu circuito, conforme desenho a seguir:
Fig. 6.2. Esquemático alimentador PSAU13F4.
83
Capítulo VI – Estudo de Caso
A metodologia utilizada foi a implementação de três ajustes distintos no relé
5T90, e fazer a medição de corrente e tensão em determinados trechos do circuito,
num intervalo de 10 em 10 minutos durante uma semana, totalizando 1008
medições, conforme o Módulo 8 - PRODIST.
Todas as medições foram feitas considerando os valores monofásicos de
corrente e tensão da fase B dos circuitos, porém os resultados foram apresentados
como sendo trifásicos.
As medições foram feitas conforme a Figura 6.2, em quatro pontos distintos:
•
Barramento de 13,8 kV da SE Pouso Alegre 1;
•
Religador R47019 (início do circuito);
•
Religador R47297 (meio do circuito);
•
Religador R44298 (final do circuito).
Convém salientar que conforme ilustra a Figura 6.1, o Trafo T5 também
alimenta outros 3 circuitos (12F4, 15F4 e 16F4), sendo que esses circuitos possuem
reguladores de tensão em seus circuitos, evitando risco de subtensão, e também de
sobretensão em seus circuitos, pois a tensão máxima do sistema em questão será
na saída da SE, que será ajustado de acordo com os limites definidos pelo Módulo 8
do PRODIST
Conforme apresentado na Figura 6.3, O religador R47019 esta instalado na
saída da SE, alimentando 30 % do circuito 1 do PSAU13F4. O circuito 2 é
alimentado através da chave C79312, que também está instalada na saída da SE,
que é responsável por 66% do circuito, sendo 36% consumidores urbanos e 30%
rurais. O religador R47297 está na saída da cidade de Pouso Alegre, sentido zona
rural, sendo responsável pela alimentação desse circuito rural do respectivo
alimentador (30% da carga), e o religador R44298 está no final alimentador,
responsável pela alimentação de vários consumidores rurais e uma localidade,
chamada “Pantâno” (10% da carga), conforme a Figura 6.3:
84
Capítulo VI – Estudo de Caso
Fig. 6.3 - Carregamento do alimentador PSAU13F4.
O alimentador possui um comprimento máximo da rede primária de 21,5 km,
sendo constituído de cabos 1#0, 2#0 e XLPE (rede protegida), conforme a Figura
6.4:
Fig. 6.4 – Comprimento máximo do PSAU13F4.
85
Capítulo VI – Estudo de Caso
O comprimento da rede primária do circuito 2 até o religador R47297 é de
6,32 km (circuito urbano), porém alimenta 36% de toda a carga do PSAU13F4,
conforme a Figura 6.5:
Fig. 6.5 - Comprimento do trecho urbano do PSAU13F4.
O comprimento da rede primária do circuito rural (entre o religador R47297 e
o religador R44928) é de 15,23 km, porem é responsável por somente 30% da carga
do alimentador, conforme a Figura 6.6:
Fig. 6.6 - Comprimento do trecho rural do PSAU13F4.
86
Capítulo VI – Estudo de Caso
Para o circuito em questão, não é possível a determinação com precisão do
centro de carga deste circuito, pois os ajustes do relé 90 do Trafo T5 foram feitos
através dos valores de corrente máxima e mínima e do fator de potência médio do
circuito total do Trafo T5 (ajustes referente à reta de carga e LDC), que engloba
todos os 4 alimentadores.
Porém, para o PSAU14F4 pode-se achar um centro de carga fictício, através
de uma aproximação, através da distância x carregamento das cargas urbanas (36%
carga x 7 km) e cargas rurais (30% carga e 15 km), pode-se considerar que este
centro de carga ficará nas proximidades da divisa entre esses 2 pontos, ou seja, nas
proximidades do religador R47297.
Convém salientar que a localização desse centro de carga, não é muito
importante ser conhecida, pois os ajustes do relé 90 do Trafo T5, que alimenta essas
cargas, não terá influência nos ajustes do relé 5T90, devido à característica deste
circuito de alimentar vários circuitos (12F4, 13F4, 15F4 e 16F4). Devido a essa
característica será usado no cálculo do LDC, o método Z equivalente, que não usa
as resistências R e as reatâncias X reais da rede, e sim os seus valores calculados.
6.3 - CÁLCULOS DOS AJUSTES DO RELÉ DE CONTROLE DE TENSÃO
Os ajustes do relé 5T90 utilizados foram os mais comumente usados:
• Tensão definida (1º ciclo);
• Reta de Carga (2º ciclo);
• LDC (3º ciclo).
6.3.1 - 1º Ciclo -Tensão Constante
Neste 1º ciclo de medições foi utilizada a metodologia de tensão constante,
onde a tensão de referência do relé 90 é a mesma, independente do carregamento e
fator de potência do circuito:
Considerando:
•
Vref
= 117,3 V
•
Banda Morta
= (0,833%) 1 V
87
Capítulo VI – Estudo de Caso
•
Tempo Morto
= 60 seg
•
RTP
= 120
Os ajustes foram os seguintes:
• VNOM
= 13800 V
• Vref = 117,3 x 120
= 14196 V
• VMAX = 118,3 x120
= 14316 V
• VMIM = 116,3 x120
= 14076 V
6.3.2 - 2º Ciclo - Reta de Carga
Conforme a equação 6.1, tem-se
IINST IMIN . VMAX VMIN
IMAX IMIN
VMIN
(6.1)
Onde:
•
VREF
Tensão de referência;
•
VMIN
Tensão mínima de VREF;
•
VMAX
Tensão máxima de VREF;
•
IMAX
Corrente máxima do circuito;
•
IMIM
Corrente mínima do circuito;
•
IINST
Corrente instantânea do circuito.
Considerando:
•
VMAX
= 14256 V
•
VMIN
= 14076 V
•
IMAX
= 800 A
•
IMIM
= 300 A
88
Capítulo VI – Estudo de Caso
Conforme
equação
6.1,
tem-se
os
seguintes
ajustes
que
foram
implementados no software de controle de tensão, sendo que os ajustes foram
divididos em 4 grupos, devido à limitações do software de controle, que por não
existir nenhum relé 90 com esse recurso disponível no mercado, tiveram que ser
emulados via remota de telecontrole (UTR) na subestação de Pouso Alegre 1,
conforme Tabela 6.1 a seguir:
Ajustes Reta de Carga
Carga leve - Corrente <= 450
Corrente
Vmin
Vref
Vmax
<=450
13,956
14,076
14,196
Carga Média - Corrente >450 e <= 550
Corrente
Vmin
Vref
Vmax
>450 e <= 550
14,016
14,136
14,256
Carga Pesada - Corrente >550 e <= 650
Corrente
Vmin
Vref
Vmax
>550 e <= 650
14,076
14,196
14,316
Carga Muito Pesada - Corrente >650
Corrente
Vmin
Vref
Vmax
Corrente >650
14,136
14,256
14,376
Tab. 6.1 - Ajustes Reta de Carga
6.3.3 - 3º Ciclo - LDC
O LDC deve complementar a tensão de forma a fornecer a tensão
pretendida para carga leve, média e pesada,
Convém salientar que para este 3º ciclo utilizou-se método Z equivalente de
cálculo do LDC, conforme equações listadas abaixo:
Z
VCP VNOM
R
Z . cos θ
ICP
(6.2)
(6.3)
89
Capítulo VI – Estudo de Caso
X
Z . sin θ
R LDC
IMAX .R
XLDC
IMAX .X
(6.4)
(6.5)
RTP
(6.6)
RTP
Onde:
•
θ
Ângulo do fator de potência do circuito;
•
VCP
Tensão de carga pesada;
•
ICP
Corrente carga pesada;
•
VNOM
Tensão nominal;
•
IMAX
Corrente máxima do circuito;
•
VREF
Tensão de referência;
•
RTP
Relação de transformação do TP;
•
RLDC
Ajuste de R para o LDC;
•
XLDC
Ajuste de X para o LDC.
E os valores de tensão a serem compensados:
∆VR
ICARGA . R
(6.7)
∆VX
ICARGA . X
(6.8)
∆V
√∆VR
VCARGA
VNOM
∆VX
(6.9)
∆V
(6.10)
Onde:
•
∆VR
Queda de tensão devido à resistência R;
•
∆VX
Queda de tensão devido à reatância X;
•
∆V
Queda de tensão total;
•
VCARGA
Tensão no centro de carga.
90
Capítulo VI – Estudo de Caso
Para os ajustes implementados no relé 90, relativo ao 3º ciclo de medição,
usando o LDC considerou-se:
•
θ
= 30º
•
VCP
= 14320 V
•
ICP
= 800 A
•
VNOM
= 13800
•
IMAX
= 800 A
•
VREF
= 13800
•
RTP
= 120
Conforme as equações (6.2), (6.3), (6.4), (6.5) e (6.6), resulta:
Z
0,65
R
0,65 . cos 30
X
0,65 . sin 30
.
R LDC
XLDC
.
,
,
0,563
0,325
3,75
2,17
Então tem-se os seguintes ajustes relativos ao regime de carga, lembrandose que esses cálculos são apenas demonstrativos, pois essa metodologia de relé 90
é dinâmica, existindo um valor instantâneo para cada valor de corrente circulante em
cada momento e não somente para os regimes de carga, listados a seguir:
a) Carga Zerada:
O valor de LDC para carga zerada é feito para mostrar que para esse caso
não existirá compensação de queda de tensão na linha.
91
Capítulo VI – Estudo de Caso
Conforme as equações (6.2), (6.3), (6.4), (6.5) e (6.6), tem-se:
∆VR
∆V
VCARGA
∆VX
0
0
VNOM
13800 V
Nesse caso não haverá compensação de tensão, conforme mostrado na
Figura 6.7:
Fig. 6.7 – Ajuste LDC para Carga zerada
b) Carga Leve:
Considerando ICARGA =300 A, e conforme as equações (6.2), (6.3), (6.4),
(6.5) e (6.6), tem-se:
∆VR
300 . 0,563
169 V
∆VX
300 .0,325
97,5 V
∆V
169
VCARGA
13800
97,5
195
195 V
13995 V
92
Capítulo VI – Estudo de Caso
Fig. 6.8 – Ajuste LDC para Carga leve.
c) Carga Média:
Considerando ICARGA =550 A, e conforme as equações (6.2), (6.3), (6.4),
(6.5) e (6.6), tem-se:
∆VR
550 . 0,563
309,6 V
∆VX
550 .0,325
178,7 V
∆V
309,6
178,7
VCARGA
13800
357
357 V
14157 V
Fig. 6.9 – Ajuste LDC para Carga média.
93
Capítulo VI – Estudo de Caso
d) Carga Pesada:
Considerando ICARGA =800 A, e conforme as equações (6.2), (6.3), (6.4),
(6.5) e (6.6), tem-se:
∆VR
800 . 0,563
450 V
∆VX
800 .0,325
260 V
∆V
VCARGA
√3450
13800
260
520
520 V
14320 V
Fig. 6.10 – Ajuste LDC para Carga Pesada.
O valor da tensão de referência mais o ΔV deve ser de 14320 V para carga
pesada, para que somando-se o valor da banda morta de 1% (120 V) não estoure a
faixa de tensão admissível de fornecimento para o consumidor, conforme o Módulo 8
- PRODIST (14490 V). No exemplo em questão, o valor máximo será de 14440 V,
que é um valor 0,33% (50 V) abaixo do valor máximo permitido. Esse valor é
necessário para compensar eventuais desequilíbrios entre fases do sistema.
Convém salientar que para cada valor de corrente, haverá um ∆V
correspondente, e não somente para valores de correntes para as cargas leve,
média e pesada.
Desta forma tem-se os seguintes valores, conforme a Tabela 6.2:
94
Capítulo VI – Estudo
E
de Caso
Ajusttes do Relé
é 90 para LDC
L
Regime de
e Carga
Vm
min (V)
Vre
ef (V)
Vm
max (V)
Carga Zera
ada
136
680
13800
13
3920
Carga Leve
e (I=300 A)
138
875
13995
14
4115
Carga méd
dia (I=550 A)
A
140
037
14157
14
4277
Carga Pesa
ada (I=800 A)
142
200
14320
14
4440
Tab. 6.2 – Ajuste do relé
r
90 para LDC
6.4 - ANÁLIS
SE DOS RESULTA
R
DOS
Devido
o à caracte
erística do
o circuito do
d PSAU13F4 de po
ossuir uma
a curva de
e
carg
ga relativam
mente constante, com
m o carreg
gamento entre
e
os dia
as de maio
or carga e
men
nor, não superior
s
a 15 %, conforme ilustra a Figura 6
6.11, anallisou-se o
comportamentto da tensão em 2 amostras por ciclo, sendo analisados os
o dias de
e
maio
or (meio da
a semana) e o de me
enor carreg
gamento (D
Domingo).
Fig. 6.11
6
– Curva
a de carga do
o circuito do PSAU13F4
As me
edições forram feitas em um in
ntervalo de
e 10 em 1
10 minutos
s, durante
e
a semana, nos seguin
ntes períod
dos:
uma
•
Tenssão Consta
ante (1º cicclo) – 31/0
03 a 06/04//2010;
•
Reta
a de Carga
a (2º ciclo) – 14/04 a 20/04/2010;
•
LDC
C (3º ciclo) – 22/04 a 28/04/2010.
95
5
Capítulo VI – Estudo de Caso
Devido a algumas falhas durante o período de testes, no circuito e nas
medições do PSAU13F4, algumas amostras de medições tiveram que ser
descartadas. Embora a quantidade necessária seja de 1008 amostras, a título de
comparação entre os modelos de CAT testados, foi seguida a metodologia de
cálculo do DRC e DRP, conforme o PRODIST – Módulo 8, onde foram definidas
como DRC proporcional (DRCp) e DRP proporcional (DRPp). No total foram
validados 15 dias, ,conforme a Tabela 6.3:
Tab. 6.3 – Total de DRPp e DRCp durante as medições.
Total de DRPp e DRCp durantes as medições
Quantidade dias Quantidade Amostras DRPp
%
DRCp
%
1º Ciclo
5
720
9
1,25%
0
0
2º Ciclo
4
576
5
0,87%
0
0
3º Ciclo
6
864
1
0,12%
0
0
Total
15
2160
15
0,69%
0
0
Durante os testes, foi feito um estudo comparativo da quantidade de
comutações do regulador de tensão, de acordo com a metodologia de regulação de
tensão usada. No coluna referente à “% 1º Ciclo”, mostra-se o valor proporcional de
comutações do referido ciclo de testes com relação ao 1º Ciclo – Tensão Constante,
conforme a Tabela 6.4:
Tab. 6.4 – Numero de comutações do Trafo T5.
Comutações do Regulador de Tensão do Trafo T5
Período
Ciclo
Total
Média Diária
% 1º Ciclo
31/03 a 06/04
1º Ciclo - Tensão Constante
286
40,9
100%
14/04 a 20/04
2º Ciclo - Reta de Carga
355
50,7
124%
22/04 a 28/04
3º Ciclo - LDC
393
56,1
137%
Com relação aos gráficos que serão mostradas nas análises dos valores de
tensão, convém salientar:
1) No lado direito do gráfico mostra-se os valores de tensão medidos,( no
caso da tensão relativa à barra de 138 kV, mostra-se apenas a título
96
Capítulo VI – Estudo de Caso
demonstrativo, os valores máximo e mínimo de tensão no período),
conforme relação a seguir:
•
Barra 138 kV;
•
Barra 13,8 kV;
•
Tensão R47019 (início do circuito);
•
Tensão R47297 (meio do circuito);
•
Tensão R44928 (final do circuito).
2) No lado esquerdo do gráfico, acima das respectivas linhas, mostra-se os
limites máximos e mínimos, referentes aos valores de tensão, sendo:
•
Vmax-505 – valor limite máximo para DRP/DRC (5%), conforme
Módulo 8 - PRODIST;
•
Vmin-505 – valor limite mínimo para DRP (7%), conforme Módulo 8 PRODIST;
•
Tensão Cte-Vmax – Valor máximo de Vref considerado a banda
morta;
•
Tensão Cte-Vmin – Valor mínimo de Vref considerado a banda morta;
•
Vmax-47297 – Valor máximo equivalente para a tensão no R47297,
considerando a tensão média no local mais a banda morta do 5T90;
•
Vmin-47297 – Valor mínimo equivalente para a tensão no R47297,
considerando a tensão média no local menos a banda morta do 5T90;
•
Vmed-44928 – Valor médio da tensão no R44928.
6.4.1 - 1º Ciclo - Tensão Constante
Foram feitas medições para o circuito no período de 31/03 a 06/04/2010
(uma semana), porém foram consideradas 5 amostras válidas, (31/03, 01/04, 02/04,
03/04 e 04/04).
Percentualmente, conforme a Tabela 6.3 foram encontrados os valores de
DRPp=1,25% e DRCp=0, sendo que não foram verificados valores acima da tensão
máxima permitida (5%).
97
Capítulo VI – Estudo
E
de Caso
6.4.1.1 - Maio
or Carga - dia 31/0
03/2010 - 4ª
4 Feira
Fig. 6.12 - Tensão Cte – 31/03 – 4ªª Feira – Ima
ax=789A - 18
8:30 h.
Análise
e das med
dições, con
nforme a Fiigura 6.12::
a) Início
o do circuito – R4701
19:
A te
ensão na saída do PSAU13F4, med
dida pelo religadorr R47019,
comportou-se dentro do
os limites de tensão
o para o relé 5T90 (conforme
e
Vma
ax-505 na Figura
F
6.12
2).
b) Meio
o do circuitto – R4729
97:
Note
e que a tensão no circuito
c
do religador R47297, ccomportou--se dentro
o
de uma faixa relativamen
r
nte estável, porém co
om oscilaçções fora da
d faixa de
e
band
da morta equivalente
e
e desse cirrcuito de 240
2 V (con
nforme Vmax e Vmin
n
do R47297
R
na Figura 6.1
12).
c) Final do circuitto – R4492
28:
a esse ca
aso, a ten
nsão teve uma grande variação, princ
cipalmente
e
Para
devid
do às característiccas de um
u
circuiito rural, que é sujeito a
sazo
onalidades, que no circuito em
e questã
ão tem a ver com época de
e
98
8
Capítulo VI – Estudo
E
de Caso
colhe
eita de prrodutos ag
grícolas, e principalm
mente devvido à irrig
gação. Na
a
Figura 6.13, mostra-se
m
q a curva
que
a de carga
a no circuitto possui uma
u
carga
a
muito alta dura
ante o período de ca
arga média
a, chegand
do perto do
os valoress
de carga pessada, sen
ndo a qu
ueda de tensão nesse loca
al, devido
o
princcipalmente
e a esse motivo.
Fig. 6..13 - Tensão
o Cte - Tensã
ão x Corrente
es - 44928 (P
Pantâno) 31//03 - 4ª Feira
a.
6.4.1.2 - Men
nor carga - dia 04/0
04/2010 - Domingo
o
Fig. 6.14 - Tensão Cte - 04/04 - Do
omingo - Imaxx=706A - 18:30 h.
99
9
Capítulo VI – Estudo
E
de Caso
Análise
e das med
dições, con
nforme a Fiigura 6.14::
a) Início
o do circuito – R4701
19:
A te
ensão na saída do PSAU13F
F4, medida pelo religador R4
47019, se
e
comportou den
ntro dos lim
mites de te
ensão para
a o relé 5T9
90 (conforrme Vmax-505 na Figura 6.14).
b) Meio
o do circuitto – R4729
97:
Note
e que a ten
nsão no circuito do religador R47297
R
teve uma va
ariação de
e
tensão superio
or a 500 V (bem superior ao valor de b
banda morrta do relé
é
5T90
0), onde a maior ten
nsão ocorreu no período de ca
arga leve e a menorr
no período
p
de carga pesada.
c) Final do circuitto – R4492
28:
a esse casso, a tensã
ão teve um
ma grande variação n
no período
o de carga
a
Para
pesa
ada, devido ao horá
ário de pico da zona
a rural, conforme Fig
gura 6.15,
poré
ém, conform
me a Tabe
ela 6.3, o percentua
al de subte
ensão no lo
ocal ainda
a
está em conforrmidade co
om o Módu
ulo 8 - PRO
ODIST.
Fig. 6.1
15 - Tensão Cte - Tensão
o x Correntes - 44928 (P
Pantâno) 04/0
04 – Domingo.
100
0
Capítulo VI – Estudo de Caso
6.4.1.3 - Conclusões Sobre a Regulação de Tensão Usando Tensão
Constante
Conforme mostrado, para o método de regulação de tensão usando tensão
constante, usa-se a tensão de referência constante na SE. Através desse método,
consegue-se uma menor quantidade de comutação do regulador de tensão,
(conforme a Tabela 6.4), que aliado à simplicidade de implementação e ao
incremento de venda de energia, principalmente em regime de carga leve e média, é
uma solução bastante usada atualmente.
Os problemas desse método é o de não manter a tensão constante no
centro de carga, e os consumidores localizados no meio e no final de circuito estão
sujeitos a grandes variações de tensões.
Note também, que se houvesse uma melhora de tensão, principalmente no
horário de ponta, conforme a Tabela 6.3, poder-se-ia ter um menor percentual de
DRPp (1,25%), conforme será verificado nos outros métodos.
6.4.2 - 2º Ciclo - Reta de Carga
Foram feitas medições para o circuito no período de 14/04 a 20/04/2010
(uma semana), porém foram consideradas 4 amostras válidas, (16/04, 17/04, 18/04
e 19/04).
Percentualmente, conforme mostrado na Tabela 6.3 foi encontrado os
valores de DRPp=0,87% e DRCp=0, sendo que não foram verificados valores acima
da tensão máxima permitida (5%).
Os nomes descritos anteriormente para o gráfico de tensão são os mesmos,
exceto os listados abaixo:
•
R. carga-Vmax – Valor máximo de Vref considerado a banda morta;
•
R. carga-Vmin – Valor mínimo de Vref considerado a banda morta.
Lembrando que no ciclo de medição, o valor de Vref não é fixo, sendo
variável conforme os valores de correntes.
101
Capítulo VI – Estudo
E
de Caso
6.4.2
2.1 - Maio
or Carga - dia 19/0
04/2010 - 2ª
2 Feira
Fig. 6.16 - Reta
R
de Carg
ga - 19/04 - 2ª
2 Feira - Ima
ax=823A - 18
8:30 h.
Análise
e das med
dições, con
nforme a Fiigura 6.16::
a) Início
o do circuito – R4701
19:
A te
ensão na saída do PSAU13F
F4, medida pelo religador R4
47019, se
e
manteve dentrro dos limittes máximo
os de DRP
Pp e DRCp
p (Conform
me valor de
e
Vma
ax-505 na Figura
F
6.16
6), mesmo
o com os ajjustes de V
Vmax do 5T90
5
maiorr
no horário de ponta,
p
que os ajustes
s para tenssão consta
ante.
b) Meio
o do circuitto – R4729
97:
A te
ensão no circuito
c
do
o religador R47297, comportou
u-se dentrro de uma
a
faixa
a relativam
mente estávvel, porém
m com oscilações fora
a da faixa de banda
a
mortta equivale
ente desse
e circuito de 240 V (conforme Vmax e Vmin do
o
R472
297 na Figura 6.16
6), basicam
mente no horário d
de carga leve, com
m
varia
ações além
m desse lim
mite nos ou
utros horárrios.
102
2
Capítulo VI – Estudo
E
de Caso
c) Final do circuitto – R4492
28:
Para
a este caso
o a tensão
o teve uma
a grande va
ariação, prrincipalmen
nte devido
o
às característi
c
cas de um
m circuito rural. Na Figura 6.1
17 mostra-se que a
curva de carga
a no circuito possui uma carga
a muito altta durante o período
o
de carga
c
média, chegando perto dos valoress de carga pesada, sendo
s
este
e
o mo
otivo da queda
q
de tensão
t
nes
sse local. Porém, de
evido a um
ma tensão
o
maiss alta no horário de
e carga pesada,
p
ho
ouve uma redução da DRPp
p
(0,87
7%) conforrme mostra
ado na Tab
bela 6.3.
Fig. 6.17 - Reta de Carga
C
- Tenssão x Corren
ntes - 44928 (Pantâno) 19
9/04 - 2ª Feira.
103
3
Capítulo VI – Estudo
E
de Caso
6.4.2
2.2 - Men
nor carga - dia 18/0
04/2010 - Domingo
o
Fig. 6.18 - Reta
R
de Carg
ga - 18/04 - Domingo
D
- Im
max=672A- 18:30 h.
Análise
e das med
dições, con
nforme a Fiigura 6.18::
a) Início
o do circuito – R4701
19;
A te
ensão na saída do PSAU13F
F4, medida pelo religador R4
47019, se
e
manteve dentrro dos limittes máximo
os de DRP
Pp e DRCp
p (conform
me valor de
e
Vma
ax-505 na Figura
F
6.16
6), mesmo
o com os ajjustes de V
Vmax do 5T90
5
maiorr
no horário de ponta,
p
que os ajustes
s para tenssão consta
ante.
o do circuitto – R4729
97;
b) Meio
A te
ensão no circuito
c
do
o religadorr R47297 comportou
u-se dentro de uma
a
faixa
a relativam
mente estávvel, porém
m com oscilações fora
a da faixa de banda
a
mortta equivale
ente desse
e circuito de 240 V (conforme Vmax e Vmin do
o
R472
297 na Figura
F
6.18), com poucas variações
v
além des
sse limite,
inclu
usive no ho
orário de ponta do sis
stema.
104
4
Capítulo VI – Estudo
E
de Caso
c) Final do circuitto – R4492
28;
Para
a esse casso houve uma
u
variação de tensão máxima de +/-- 400V no
o
perío
odo de carrga leve, e de tensão mínima +/- 300V n
no período
o de carga
a
média, devido
o à curva de carga
a no dia de
d menor carga nã
ão ser tão
o
acen
ntuado (conforme Fig
gura 6.19). Com isso
o não houvve tensões
s próximass
ao valor de DR
RPp, conforme a Tab
bela 6.3.
Fig. 6.19
9 - Reta de Carga
C
- Tensão x Correnttes - 44928 (Pantâno)
(
18
8/04 – Domin
ngo.
6.4.2
2.3 - Conclusões
s Sobre a Regula
ação de Tensão Usando Reta de
e
Carg
ga
Conforrme mostra
ado, para o método de regulaçção de ten
nsão usand
do reta de
e
carg
ga, usa-se
e a tensão
o de referência varriando de acordo ccom a corrente em
m
circu
ulação pelo
o Trafo T5..
A vanttagem dessse método
o é de ter uma tensã
ão mais un
niforme no centro de
e
carg
ga e uma pequena
p
m
melhora
de
e tensão no final de circuito attravés de um menorr
perccentual de DRPp con
nforme a Ta
abela 6.3. Outra vantagem dessse método
o é de não
o
aum
mentar sign
nificativame
ente a qua
antidade de
d comutaçções do re
egulador de
d tensão,
confforme a Ta
abela 6.4, houve um aumento de 24% no
o numero de comuta
ações com
m
relaçção ao método de tensão consstante.
105
5
Capítulo VI – Estudo de Caso
Esse método pode ser usado também como um LDC simplificado, onde for
difícil a sua implementação.
A desvantagem desse método é de não vir com esse recurso embarcado
nos relés 90 comercializados atualmente. Porém, com o advento cada vez maior de
relés 90 microprocessados, essa função poderá ser configurada no mesmo. Devido
ao fato do processo de automação de subestações ser utilizado atualmente,
algumas concessionárias tem programado a UTR responsável pela automação
desta SE para a execução da função de regulação de tensão via reta de carga.
6.4.3 - 3º Ciclo - LDC
Foram feitas medições para o circuito no período de 22/04 a 28/04/2010
(uma semana), porém foram consideradas 6 amostras válidas (22/04 a 27/04).
Percentualmente, conforme a Tabela 6.3, foram encontrados os valores de
DRPp=0,12% e DRCp=0 sendo que não foram verificados valores acima da tensão
máxima permitida (5%).
Os nomes descritos anteriormente para o gráfico de tensão são os mesmos,
exceto os listados abaixo:
•
LDC-Vmax – Valor máximo de Vref considerado a banda morta;
•
LDC-Vmin – Valor mínimo de Vref considerado a banda morta.
Lembrando-se que no ciclo de medição, o valor de Vref não é fixo, sendo
variável conforme os valores de corrente e fator de potência.
106
Capítulo VI – Estudo
E
de Caso
6.4.3
3.1 - Maio
or Carga - dia 23/0
04/2010 - 6ª Feira
Fig. 6.2
20 - LDC - 23
3/04 - 6ª Feira - Imax=84
42A – 18:30 h.
Análise
e das med
dições, con
nforme a Fiigura 6.20::
a) Início
o do circuito – R4701
19:
A te
ensão na saída do PSAU13F
F4, medida pelo religador R4
47019, se
e
manteve dentrro dos limittes máximo
os de DRP
Pp e DRCp
p (conform
me valor de
e
Vma
ax-505 na Figura 6.20), mesm
mo com os
o ajustes de Vmax
x do 5T90
0
ajusttado pelo LDC, e co
om uma ca
arga de 84
42 A. Convém salien
ntar que a
conffiguração do
d LDC fo
oi considerrada como
o Imax=80
00 A, e o ajuste de
e
Vma
ax=14320, que consid
derando a banda mo
orta poderia chegar a 14440 V..
Poré
ém, para a corrente de
d 842A o valor máxiimo chegou a 14460 V.
o do circuitto – R4729
97:
b) Meio
A tensão no circuito
c
do religador R47297 manteve-se
m
e dentro da faixa de
e
da morta equivalente
e
e desse cirrcuito, de 240
2 V (con
nforme Vmax e Vmin
n
band
do R47297
R
na
a Figura 6.20), indep
pendentem
mente do rregime de carga, ou
u
seja, conforme
e descrito no item 6.2
6 desse capítulo, o R47297 pode serr
c
o ce
entro de carga
c
dessse circuito, pois as mediçõess
conssiderado como
nessse religado
ores mantivveram-se estáveis
e
du
urante todo
o o período
o.
107
7
Capítulo VI – Estudo
E
de Caso
c) Final do circuitto – R4492
28:
Para
a esse caso a tensão
o teve uma
a grande va
ariação, prrincipalmente devido
o
às característi
c
cas de um
m circuito rural. Na Figura 6.2
21, mostra
a-se que a
curva de carga
a no circuito possui uma carga
a muito altta durante o período
o
de carga
c
méd
dia, chega
ando perto
o dos valo
ores de ca
arga pesad
da, sendo
o
devid
do a esse
e fato a qu
ueda de te
ensão nessse local, p
porém deviido a uma
a
tensão mais alta no horário
h
de
e carga pesada,
p
ho
ouve uma
a redução
o
signiificativa da
a DRPp, não ocorre
endo nenh
huma tran
nsgressão no dia, e
somente uma durante to
odo o perííodo de am
mostragem
m (0,12%), conforme
e
mostrado na Tabela
T
6.3.
Fig. 6.21 - LDC - Tensão x Correntes
C
- R44928
R
(Pan
ntâno) 23/04 - 6ª Feira.
108
8
Capítulo VI – Estudo
E
de Caso
6.4.3
3.2 - Men
nor carga – dia 25/04/2010 – Doming
go
Fig. 6.2
22 - LDC - 25
5/04 - Domin
ngo - Imax=741A - 18:20 h.
Análise
e das med
dições, con
nforme Figu
ura 6.22:
a) Início
o do circuito – R4701
19:
A te
ensão na saída do PSAU13F
F4, medida pelo religador R4
47019, se
e
manteve dentrro dos limittes máximo
os de DRP
Pp e DRCp
p (conform
me valor de
e
Vma
ax-505 na Figura 6.22), mesmo
o com os ajustes
a
de Vmax do 5T90 feito
o
atravvés do LDC
C.
b) Meio
o do circuitto – R4729
97:
A tensão no circuito
c
do religador R47297,
R
m
manteve-se
e dentro da faixa de
e
band
da morta equivalente
e
e desse cirrcuito, de 240
2 V (con
nforme Vmax e Vmin
n
do R47297
R
na
a Figura 6.22), indep
pendentem
mente do rregime de carga, ou
u
seja, conforme
e ocorreu para
p
os tes
stes relativo
os ao dia d
de maior carga, para
a
o dia
a de meno
or carga, a tensão também se manteve e
estável, co
onfirmando
o
a co
onstatação
o que esse
e local po
ode ser co
onsiderado
o como o centro de
e
carga do circuiito.
109
9
Capítulo VI – Estudo
E
de Caso
c) Final do circuitto – R4492
28
Para
a esse caso a tensão
o teve varia
ação, poré
ém menor d
do que oco
orreu para
a
o dia
a de maio
or carga, mas
m
mesm
mo assim com caraccterística de
d circuito
o
rurall. Na Figura 6.23 mostra-se que
q
a curvva de carga no circu
uito possuii
uma carga altta durante o período
o de carga
a média, cchegando perto doss
valorres de carrga pesada, sendo devido a esse fato a queda de tensão
o
nessse local, porém,
p
devvido a uma
a tensão mais
m
alta n
no horário
o de carga
a
pesa
ada, houvve uma redução
r
significativa
s
a da DRP
Pp, não ocorrendo
o
nenh
huma transsgressão no
n dia, e somente
s
uma durantte todo o período
p
de
e
amo
ostragem (0
0,12%), co
onforme mo
ostrado na
a Tabela 6.3.
Fig.. 6.23 - LDC - Tensão x Corrente
C
- R4
44928 (Pantâno) 25/04 – Domingo.
6.4.3
3.3 - Conclusões Sobre
S
a Regulaçã
R
o de Tensão Usan
ndo LDC
Conforrme mosttrado no capítulo V, item
m 5.5 – funcionam
mento da
a
compensação de queda
a de linha,, o método
o de regulação de ttensão usa
ando LDC
C
pode
e usar os parâmetros
p
s reais de R e X da LD,
L ou pod
de usar tam
mbém valores de R e
X ca
alculados através do método chamado
o Z equiva
alente. Sen
ndo que esse
e
foi o
méto
odo usado para o tesste do 3º ciclo, atravé
és da regulação de te
ensão usando LDC.
Durantte os teste
es, nos dia
as de maio
or e também
m nos diass de meno
or carga, a
n
proxim
midades do religad
dor R47297, que pode serr
tensão ficou estável nas
110
0
Capítulo VI – Estudo de Caso
considerado como o centro de carga do circuito, e com isso confirmar que o LDC
realmente mantém a tensão constante para o centro de carga, mesmo usando os
valores de R e X calculados através do método de Z equivalente para o LDC.
A vantagem do LDC é a de ter uma tensão mais uniforme no centro de carga
e uma melhora de tensão no final de circuito para o regime de carga pesada. No
testes em questão houve um percentual menor de DRCp no período (conforme a
Tabela 6.3). Outra vantagem desse método é de não aumentar significativamente a
quantidade de comutações do regulador de tensão, conforme a Tabela 6.4, houve
um aumento de 37% no numero de comutações com relação ao método de tensão
constante.
Uma desvantagem do LDC é que, o mesmo para ter um bom funcionamento,
depende de ajustes. Isso poderia ser evitado, quando se considera a corrente
máxima de ajuste do LDC igual à corrente nominal do transformador, porém isso
limita o campo de regulação do LDC. No exemplo em questão, o LDC foi ajustado
para Imax=800 A, para o qual teria-se uma Vmax de 14440 V (considerando a banda
morta). Caso fosse considerando a corrente nominal do transformador, teria-se uma
Imax=1050 A (para um transformador de 25 MVA), e teria-se os mesmos valores de
Vmax=14440 V. Porém se for considerada a corrente máxima do circuito, como
Imax=800 A, para a corrente máxima do circuito, teria-se uma tensão de saída de
14340 V, conforme a equação 6.10 (considerando o ângulo do fator de potência =
30º). Embora ainda se tenha uma tensão estável no centro de carga, teria-se uma
faixa de regulação menor e deixaria-se de ter um incremento de tensão em torno de
100 V, que poderia ser importante no final do circuito, principalmente no seu horário
de carga pesada, e com isso perder-se-ia a melhoria de DRCp no circuito.
Nos testes em questão, na configuração do LDC, foi considerada como
Imax=800 A, e o ajuste de Vmax=14320 V, que considerando a banda morta,
poderia chegar a 14440 V. Porém, no dia de maior carga a corrente máxima do
circuito foi de 842 A, e por isso a Vmax do LDC foi de 14460 V, e mesmo com uma
carga alta, não houve transgressão de tensão na faixa superior (5%).
É recomendável que se faça o ajuste do LDC periodicamente (no mínimo
uma vez por ano), aferindo os ajustes do LDC, levando em consideração os valores
da corrente máxima do circuito (real) e fator de potência, visando o desempenho
ótimo do LDC. Também é recomendável que se use o recurso de limite de
111
Capítulo VI – Estudo de Caso
compensação do LDC, conforme citado no Capítulo V, item 5.5.4 – Limites de
compensação para o LDC.
112
Capítulo VII – Conclusões e Sugestões para Futuros Trabalhos
CAPÍTULO VII
CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS
7.1 - CONCLUSÕES
Todas as metodologias projetadas para os relés de controle de tensão são
planejadas para manter os níveis de tensão nas SEs e LDs conforme as normas do
órgão regulador – ANEEL, de acordo com o PRODIST - Módulo 8.
Caso não seja possível a regulação de tensão nesses pontos conforme as
regras vigentes, deverão ser feitas ações em nível de planejamento conforme
definidas no Capítulo III.
Entre os 3 métodos de regulação que foram testados neste alimentador
típico da SE se verificaram algumas características diferentes.
Para o 1º método de regulação de tensão (1º ciclo - Tensão Constante) a
tensão de referência mantém-se constante na SE, ou seja, não há compensação de
queda de tensão na LD, e com isso a tensão ao longo da LD varia de acordo com a
queda de tensão e o carregamento da LD.
Apesar deste método não manter a tensão estável no centro de carga, e de
não prover na LD uma tensão mais alta, principalmente no horário de ponta, e com
isto não contribuir para a diminuição da DRC/DRP no circuito, este método tem a
vantagem de ser o que necessita de uma menor quantidade de comutações do
regulador de tensão (conforme a Tabela 6.4), aliado à simplicidade de
implementação e ao incremento de venda de energia, principalmente em regime de
carga leve e média, é uma solução bastante utilizada atualmente.
Para o 2º método de regulação de tensão (2º ciclo – Reta de Carga),
ocorrerá uma compensação de queda de tensão na LD, de acordo com o
113
Capítulo VII – Conclusões e Sugestões para Futuros Trabalhos
carregamento da linha, porém como não considera as características elétricas da
LD, essa compensação não manterá a tensão tão estável no centro de carga,
conforme o método via LDC.
Uma vantagem desse método é de ter uma tensão mais uniforme no centro
de carga e uma pequena melhora de tensão no final de circuito através de um menor
percentual de DRPp, conforme a Tabela 6.3. Como o controle de tensão via Reta de
Carga também compensa a queda de tensão na linha, mesmo sem considerar R e X
da LD, esse método torna-se economicamente viável, podendo inclusive substituir a
LDC, quando não for possível a utilização do mesmo.
Outra vantagem desse método é de não aumentar significativamente a
quantidade de comutações do regulador de tensão. Conforme a Tabela 6.4, houve
um aumento de 24% no número de comutações com relação ao método de Tensão
Constante.
Uma desvantagem desse método e que normalmente os relés 90 não
possuem o recurso de reta de carga disponível. Porém, devido à característica de
ser um método de fácil implantação, o mesmo pode ser configurado através do uso
da remota de telecontrole (UTR) usada para o telecontrole da SE ou de relés 90
microprocessados que permitem programação local.
Caso seja usada a remota de telecontrole da SE, tem-se a vantagem de
permitir sua configuração remotamente através dos centros de operação via
telecontrole da SE.
O 3º método de regulação de tensão (3º ciclo - LDC) tem a característica de
manter a tensão estável no ponto de regulação (centro de carga), pois leva em
consideração as características da LD, tais como as quedas de tensão que irão
ocorrer devido à resistência R e a reatância X real da LD, ou através do uso de R e
X calculados de acordo com as cargas e o ângulo do fator de potência. Esse método
irá compensar as quedas de tensão na rede, visando à regulação de tensão para
certo local, denominado centro de carga.
Esse método é o mais usado mundialmente, pois possibilita uma tensão
mais estável para o centro de carga e consecutivamente para todo o circuito.
Durante os testes, os ajustes foram feitos através do método de Z
equivalente, e confirmou-se que mesmo obtendo os valores de R e X equivalente
através do ângulo médio do fator de potência e corrente máxima do transformador,
114
Capítulo VII – Conclusões e Sugestões para Futuros Trabalhos
este método resultou em uma regulação de tensão bastante satisfatória para a LD,
conforme demonstrado nos testes para este método, onde a tensão ficou bastante
estável para o centro de carga.
A vantagem da LDC é a de ter uma tensão mais uniforme no centro de carga
e uma melhora de tensão no final de circuito para o regime de carga pesada. Nos
testes com este método, também foi verificado uma melhora no percentual de DRCp
no circuito, conforme a Tabela 6.3.
Outra vantagem desse método é de não aumentar significativamente a
quantidade de comutações do regulador de tensão, onde conforme a Tabela 6.4,
houve um aumento de 37% no numero de comutações com relação ao método de
Tensão Constante.
Uma desvantagem da LDC é que para o seu bom funcionamento, o mesmo
necessita de ajustes periódicos, no mínimo uma vez ao ano.
Conforme verificado nos testes é recomendável que se faça o ajuste do LDC
usando a corrente máxima do circuito prevista para certo período, e que não se use
o valor de corrente nominal do transformador, pois isso poderia comprometer o
desempenho ótimo do LDC. Também é recomendado que se use o recurso de limite
de compensação do LDC, conforme citado no Capítulo V, item 5.5.4 – Limites de
compensação para o LDC.
Analisando os resultados, chega-se à conclusão que para todos os modelos
testados não houve transgressões de tensão, conforme os limites definidos pelo
PRODIST – Módulo 8, ou seja, todas as 3 metodologias testadas conseguiram
atender aos requisitos do órgão regulador – ANEEL com relação à qualidade da
energia elétrica.
Pode-se então considerar que o critério de qualidade da energia elétrica é o
mais importante, porém não é único a ser considerado. Outros fatores também
podem influir na definição da metodologia a ser empregada. Pode-se então concluir
que a definição do melhor método a ser usado também pode depender da relação
custo-benefício, tais como: número de comutações do regulador de tensão,
existência de banco de capacitores/reguladores na LD, etc.
Entre os fatores a serem considerados, deve-se verificar a questão do
número de comutações do regulador de tensão, considerando o custo destas
comutações, pois a manutenção de um regulador de tensão é bastante onerosa, e
115
Capítulo VII – Conclusões e Sugestões para Futuros Trabalhos
normalmente depende do uso de subestações móveis e consequentemente de
grande dispêndio de tempo, mão-de-obra especializada e dinheiro.
Como exemplo, conforme a Tabela 6.4, para as metodologias testadas,
houve um aumento de 24% e 37% respectivamente às metodologias usadas no 2º e
3º ciclos, com reação ao 1º ciclo. Para o modelo do transformador regulador de
tensão utilizado na referida SE, conforme manual do fabricante, o prazo de
manutenção no circuito de comutador de taps é de 5 anos ou 100.000 operações.
Considerando esses 2 parâmetros, calcula-se então o valor médio de 54,8
operações diárias. Conforme as técnicas testadas, houve uma média diária de 40,9,
50,7 e 56,1 comutações respectivamente ao 1º, 2º e 3 º ciclos.
Pode-se então concluir que para o circuito testado, o aumento do número de
comutações devido ao uso da técnica da LDC não causa impacto na questão da
manutenção do mesmo. Porém, caso hipoteticamente haver uma média diária de 90
comutações devida à técnica da LDC, ter-se-ia uma necessidade de manutenção do
regulador de tensão a cada 3 anos. Para esse caso ter-se-ia que analisar o uso da
LDC não somente com relação aos critérios da qualidade da energia elétrica, mas
também quanto ao critério do custo de manutenção e vida útil do regulador de
tensão.
Finalizando, pode-se citar as seguintes recomendações:
•
Evitar o uso do método A ou B porque o mesmo é mais fácil de
implementar ou mais aceito;
•
É recomendável que se faça por parte das concessionárias um estudo
detalhado para cada circuito e que se implemente o melhor método para
cada caso, considerando a questão do custo-benefício;
•
Quando se optar por usar a técnica de LDC, é recomendável que se tenha
um cuidado especial nos ajustes do LDC (considerando inclusive o uso do
recurso de limite de compensação), e que se façam ajustes periódicos, no
mínimo uma vez ao ano;
•
Verificar
recursos
adicionais
de
novos
modelos
de
relés
90
(Microprocessados);
•
Quando possível, levar em considerando outros métodos de regulação,
avaliando melhorias advindas principalmente da técnica de controle
adaptativo (IA-fuzzy set).
116
Capítulo VII – Conclusões e Sugestões para Futuros Trabalhos
7.2 - SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS
O conceito de smart grid envolve a automação de redes e linhas de
transmissão através da modernização de sistemas de automação de redes e linhas
de distribuição e desenvolvimento e implantação de funções avançadas de
automação de redes ADA – Advanced Distribution Automation, tais como:
•
Desenvolvimento e implantação de funções de modelagem e análise DOMA –
Distribution Operation Modeling and Analysis incluindo modelagem dos
sistemas de transmissão e distribuição, conectividade dos circuitos, cargas
nodais, fluxo de potência, avaliação de capacidade de transferência e
avaliação das condições operativas, dentre outras;
•
Desenvolvimento e implantação de funções FLISR – Fault Location, Isolation
and System Restoration;
•
Desenvolvimento e implantação de controle de tensão e de reativos;
•
Desenvolvimento e implantação transformadores MT/BT inteligentes, com
medição, indicação de faltas e controle remoto de taps.
A título de complementação deste trabalho fica a proposta de se criar, em
consonância com a tecnologia “smart grid”, um protótipo de rede inteligente de
controle de tensão, onde os ajustes de regulação de tensão seriam feitos em tempo
real via telecontrole, a partir das informações disponíveis no centro de operação,
levando-se em consideração os valores instantâneos de corrente, tensão, fator de
potência, etc., inclusive intercalando essas informações com co-geradores
instalados nessa rede (se houverem).
117
Capítulo VII – Conclusões e Sugestões para Futuros Trabalhos
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[01] AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA – ANEEL. Resolução Nº 24,
Continuidade da distribuição de energia elétrica às unidades consumidoras,
Fevereiro de 2000.
[02] AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA – ANEEL. Resolução Nº 505,
Conformidade dos níveis de tensão em regime permanente, Novembro de 2001.
[03] AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA – ANEEL. Resolução Nº 520,
Procedimentos de registro e apuração dos indicadores relativos às ocorrências
emergenciais, Setembro de 2002.
[04] AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA – ANEEL. Resolução
Normativa Nº 395, Procedimentos de distribuição de energia elétrica no sistema
elétrico nacional – PRODIST, Revisão 1, Dezembro de 2009.
[05] AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA – ANEEL. Procedimentos de
distribuição de energia elétrica no sistema elétrico nacional – PRODIST - Módulo 2 –
Planejamento da expansão do sistema de distribuição, Janeiro de 2010.
[06] AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA – ANEEL. Procedimentos de
distribuição de energia elétrica no sistema elétrico nacional – PRODIST - Módulo 8 –
Qualidade da energia elétrica - Janeiro de 2010.
[07] AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA – ANEEL. Resolução Nº 456,
Disposições atualizadas e consolidadas relativas às condições gerais de
fornecimento de energia elétrica a serem observadas tanto pelas concessionárias e
permissionárias quanto pelos consumidores, Novembro de 2000.
[08] BOMFIM, M. A. D. Resolução 505/2001 ANEEL: Melhoria da qualidade, 180
SENDI - Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica, Olinda, PE, 2008.
[09] BARBOSA, A. S. A ANEEL e a qualidade dos serviços prestados pelas
concessionárias distribuidoras de energia elétrica no Brasil, Trabalho de Conclusão
de curso, CEFET, Brasília, DF, 2003.
[10] JANNUZZI, A. C. Regulação da qualidade de energia elétrica sob o foco do
consumidor, MSc, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 2007.
[11] HADDAD. J. Alguns aspectos legais da reestruturação do setor elétrico
brasileiro e as empresas concessionárias de distribuição de energia elétrica, 140
SENDI - Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica, Foz do Iguaçu, PR,
2000.
118
Capítulo VII – Conclusões e Sugestões para Futuros Trabalhos
[12] BALDIN, E. D. Avaliação de indicadores de continuidade e seu impacto no
planejamento de sistemas de distribuição, MSc, Escola Politécnica da USP, São
Paulo, SP, 2002.
[13] SOBRINHO, M. O. O enfoque da qualidade aplicado a prestação de serviços de
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119
Capítulo VII – Conclusões e Sugestões para Futuros Trabalhos
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120
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